Глава 4. Галактики разбегаются

Ночь 31. Как поймать грузовой корабль

На тридцать первый день своего пребывания Нур поймала космический корабль роботизированной рукой. Грузовой корабль запустили двумя днями раньше, и всё это время он медленно сокращал расстояние до станции, снова и снова включая свои небольшие двигатели под внимательным присмотром команд на Земле. К середине дня он подошёл достаточно близко, чтобы его можно было увидеть в иллюминаторы: белый цилиндр с широкими солнечными панелями, движущийся почти точно с той же скоростью, что и станция, так что казалось, будто он неподвижно висит в чёрном небе над яркой Землёй.

Нур сидела за пультом управления манипулятором — небольшим столом с экранами и двумя ручками управления, по одной для каждой руки. Томас сидел рядом и читал вслух перечень операций. Грузовой корабль остановился примерно в десяти метрах и ждал. На Земле команды подтвердили, что всё готово. Тогда Нур очень медленно повела длинную руку вперёд. Одна рука задавала направление, другая — поворот конца манипулятора. На экране она видела изображение с камеры на кончике руки, где небольшой захватный узел на грузовом корабле становился всё больше и больше.

Эта работа требовала спокойных рук и ровного дыхания. И станция, и грузовой корабль летели вокруг Земли со скоростью около 28 тысяч километров в час, но относительно друг друга были почти неподвижны, как две машины, едущие бок о бок по шоссе. Когда захватный узел оказался в центре экрана, Нур нажала на спуск. Конец манипулятора сомкнулся вокруг узла мягко и крепко. «Захват», — сказала она. На Земле кто-то начал аплодировать.

Остаток дня ушёл на то, чтобы присоединить грузовой корабль к станции и проверить, что люк можно открыть безопасно. Когда он наконец открылся, первое, что заметила Нур, был запах. Пахло новым пластиком, упаковкой и едва уловимо — яблоками. Где-то среди мешков с оборудованием, запчастями, одеждой и едой наземные команды уложили маленькую коробку свежих фруктов. В тот вечер экипаж делил яблоки у большого иллюминатора, держа их осторожно, чтобы ни одна капля сока не улетела.

Наблюдая днём за грузовым кораблём из иллюминатора, Нур думала о том, как трудно понять, приближается к тебе далёкий предмет или удаляется. Вблизи камера манипулятора делала это лёгким. Но как кто-то может узнать, как движется галактика, если она в миллионах световых лет и выглядит на фотографии неподвижным пятнышком? Это и было историей нынешней ночи, и начиналась она с радуги.

У света есть отпечатки пальцев

Когда солнечный свет проходит через стеклянную призму или сквозь капли дождя, он раскладывается в полосу цветов: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, синий и фиолетовый. Эта полоса называется спектром. Каждый цвет в ней — это свет немного разной длины волны, то есть его волны расположены на немного разном расстоянии друг от друга. У красного света волны длиннее. У синего и фиолетового — короче. Спектр — это просто свет, рассортированный по длине волн, как стопка писем, разложенная по размеру.

В XIX веке учёные обнаружили, что если аккуратно разложить свет хорошим прибором, спектр окажется не сплошным. Его пересекали тонкие тёмные линии, похожие на промежутки в штрихкоде. Вскоре выяснилось, что означают эти линии. Каждый вид атомов, например водород, натрий или железо, поглощает и испускает свет только на определённых, точно заданных длинах волн. Когда свет проходит через газ, атомы этого газа забирают свои особые длины волн и оставляют тёмные линии ровно в этих местах.

Возможно, вы видели простой пример таких отпечатков, сами того не зная. Некоторые старые уличные фонари светятся густым оранжево-жёлтым светом. Они заполнены газом, содержащим натрий, а атомы натрия, если заставить их светиться, испускают свет в основном на одной определённой жёлтой длине волны. Если посмотреть на свет такого фонаря через хорошую призму, никакой радуги почти не будет, только яркая жёлтая линия. У каждого вида атомов есть свой набор таких линий, личный, как подпись. Горячий газ показывает их яркими линиями, а более холодный газ перед ярким источником — тёмными линиями на тех же местах.

Это было чудесное открытие, потому что оно означало, что свет несёт отпечатки пальцев. По узору линий в свете звезды астрономы могли сказать, какие виды атомов в ней есть, никогда там не побывав. Узор водорода всегда одинаков, приходит ли свет от лампы в лаборатории или от звезды на другом краю галактики. Астрономы научились узнавать эти узоры так же легко, как вы узнаёте почерк друга.

Но вскоре астрономы заметили и кое-что ещё. В свете некоторых звёзд и туманностей знакомые узоры линий были на месте, но стояли не совсем там, где нужно. Весь узор был немного сдвинут — либо к красному концу спектра, либо к синему. Отпечаток был тот же, но он сполз вдоль полосы цветов. Этот маленький сдвиг, как оказалось, нёс огромное послание.

Проезжающая сирена

Нечто похожее на этот сдвиг вы слышали много раз — только со звуком вместо света. Вспомните машину скорой помощи, которая проезжает мимо вас по улице с включённой сиреной. Пока она приближается, сирена звучит выше. Когда она проезжает и удаляется, звук вдруг становится ниже. Сама сирена не изменилась. Водитель не трогал никаких переключателей. Меняется промежуток между звуковыми волнами, когда они доходят до ваших ушей.

Когда скорая движется к вам, каждая новая звуковая волна начинается чуть ближе к вам, чем предыдущая, поэтому волны приходят сжатыми. Сжатые волны звучат выше. Когда скорая удаляется, каждая новая волна начинается чуть дальше, поэтому волны приходят растянутыми. Растянутые волны звучат ниже. Чем быстрее движется скорая, тем больше перемена. Тренированное ухо или хороший прибор могли бы даже по одному изменению высоты звука сказать, как быстро она ехала.

Свет ведёт себя похожим образом. Когда источник света движется к нам, его волны приходят немного сжатыми, и его свет чуть смещается к синему концу спектра. Когда источник удаляется от нас, его волны приходят растянутыми, и его свет смещается к красному концу. Смещение к красному называют красным смещением. Чем больше красное смещение, тем быстрее источник удаляется. Тёмные линии в спектре позволяют измерить это точно, потому что астрономы в точности знают, где должна находиться каждая линия, если источник неподвижен.

У галактик, как мы скоро увидим, растяжение света происходит главным образом из-за растяжения самого пространства, а не просто из-за того, что галактики мчатся сквозь пространство, как машины скорой помощи. Но сирена — хорошее начало. Главная мысль проста: глядя на то, насколько сполз отпечаток, астрономы могут сказать, приближается далёкая галактика к нам или удаляется и примерно с какой скоростью.

Обычно эти сдвиги крошечные. У звёзд нашей собственной галактики, которые движутся относительно Солнца со скоростями в десятки километров в секунду, линии сдвигаются вдоль спектра лишь на очень маленькое расстояние, и для их измерения нужны хорошие приборы и большая тщательность. Тем же методом астрономы находят планеты у других звёзд, измеряя небольшое покачивание туда и обратно, которое притяжение планеты сообщает своей звезде. У далёких галактик, как вот-вот предстояло обнаружить Слайферу, сдвиги могут быть гораздо больше.

Люди, которые заметили

Первым, кто измерил движения спиральных туманностей, был Весто Слайфер. Он начал эту работу в 1912 году в обсерватории с хорошим телескопом и с очень большим терпением. Свет спиральной туманности слаб, а если разложить его в спектр, он становится ещё слабее. Иногда Слайферу приходилось держать одну фотопластинку открытой несколько ночей подряд, понемногу накапливая слабый свет, чтобы получить один пригодный спектр.

Его первое измерение, туманности Андромеды, показало синее смещение: Андромеда движется к нам. Но по мере того как в 1910-е годы он измерял всё больше спиральных туманностей, он обнаружил, что у большинства из них красное смещение, а некоторые удаляются со скоростями в сотни километров в секунду. Это было очень странно. Если спиральные туманности — небольшие облака внутри нашей галактики, почему большинство из них куда-то уносится? Тогда ещё никто не знал, что это отдельные галактики, и хорошего объяснения ни у кого не было.

Между тем теория, которая могла бы их объяснить, уже ждала своего часа. В 1915 году Альберт Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности — новое описание тяготения, в котором пространство и время могут искривляться и растягиваться. В 1917 году он применил её ко Вселенной в целом. Как почти все в то время, он считал, что Вселенная неподвижна: не растёт и не сжимается. Его уравнения сами по себе не давали неподвижной Вселенной, поэтому он добавил в них дополнительный член, чтобы удержать её на месте.

Другие посмотрели на те же уравнения и увидели иное. В 1922 году математик и физик Александр Фридман показал, что уравнения допускают Вселенную, которая со временем растёт или сжимается. В 1927 году священник, преподававший физику, Жорж Леметр, независимо пришёл к такому же решению. Он пошёл дальше: связал его с измеренными красными смещениями галактик и предположил, что Вселенная расширяется. Его статья вышла в журнале, который читали немногие астрономы, и поначалу на неё почти не обратили внимания.

Затем, в 1929 году, Эдвин Хаббл, уже показавший, что спиральные туманности — это галактики, сравнил их расстояния с их красными смещениями. Он нашёл ясную закономерность. Чем дальше галактика, тем быстрее она от нас удаляется. Галактика, которая вдвое дальше, удаляется примерно вдвое быстрее. Сегодня астрономы часто называют это правило законом Хаббла — Леметра, чтобы отдать должное обоим. После того как расширение Вселенной было признано, Эйнштейн отказался от дополнительного члена, который добавил, чтобы удержать Вселенную неподвижной.

Числа Хаббла не были безупречны. Поскольку расстояния, которыми он пользовался, были слишком малы, его значение скорости расширения оказалось в несколько раз больше настоящего, и потребовались десятилетия дальнейшей работы многих астрономов, чтобы его исправить. Но сама закономерность — больше расстояние, больше и скорость — снова и снова подтверждалась более совершенными приборами. В науке так бывает часто. Первое измерение показывает, что что-то есть, а более поздние измерения, часто сделанные другими людьми, показывают, сколько именно. В одну из следующих ночей мы увидим, что дополнительный член Эйнштейна много лет спустя вернулся в удивительной новой роли.

Хлеб, который поднимается в печи

Что значит, что более далёкие галактики удаляются быстрее? Самая простая картина хорошо знакома пекарям. Представьте ком хлебного теста, в который по всему объёму вмешан изюм. Когда тесто поднимается в тёплом месте, разбухает каждая его часть. Каждая изюминка удаляется от любой другой изюминки. Ни одна изюминка не толкает остальные. Их просто разносит в стороны тесто между ними, пока оно растёт.

Теперь выберите любую изюминку и представьте, что вы стоите на ней. Пока тесто поднимается, близкие к вам изюминки удаляются медленно, потому что между вами и ними совсем немного теста. Далёкие изюминки удаляются гораздо быстрее, потому что между вами и ними много теста, и всё оно разбухает одновременно. Это ровно та закономерность, которую нашёл Хаббл. И неважно, какую изюминку вы выберете. С каждой изюминки кажется, что все остальные удаляются, а более далёкие — быстрее.

Во Вселенной тесто — это само пространство. Галактики, а точнее группы галактик, — это изюминки. Они не летят сквозь пространство прочь от центральной точки. Вместо этого растягивается пространство между ними, и расстояния между ними растут. А когда свет проходит через растягивающееся пространство, растягиваются и его волны. Это главная причина, по которой свет далёких галактик приходит с красным смещением. Чем дольше свет шёл через растягивающееся пространство, тем сильнее его волны вытянулись к красному.

У каждой картинки есть свои пределы, есть они и у хлеба. У кома теста есть край и центр, и он лежит внутри печи, которая больше его. Насколько мы знаем, у Вселенной нет ни края, ни центра, и она не расширяется во что-то, что находится снаружи. Поэтому картинку с изюмом лучше использовать только для одной мысли: всё удаляется от всего, и более далёкое удаляется быстрее. Для этой мысли она подходит прекрасно.

Хлеб может показать ещё одну вещь. Если бы вы могли наблюдать за поднимающимся тестом с одной изюминки, вы могли бы измерить, как быстро удаляются ваши соседи и как они далеко. По этим двум числам можно вычислить, как давно все изюминки были сжаты вместе в маленький плотный ком, до того как тесто начало подниматься. Астрономы именно так и поступили с галактиками. Скорость расширения и расстояния до галактик вместе дают приблизительный возраст Вселенной. Тщательно полученное современное значение, при котором используются и многие другие улики, — около 13,8 миллиарда лет.

Это открытие полностью изменило вопрос о начале. Если галактики разбегаются сейчас, то вчера они были немного ближе друг к другу, в прошлом году — ещё ближе, а давным-давно — гораздо ближе. Растущая Вселенная — это Вселенная, у которой есть история. Впервые вопрос «С чего всё началось?» был не только вопросом для сказаний и философии. Он стал вопросом, который можно изучать с помощью телескопов и измерений.

Сообщение для Сами

После яблок Нур написала брату: «Сегодня я поймала грузовой корабль роботизированной рукой. История этой ночи: свет далёких галактик растянут к красному, как сирена, которая звучит ниже, когда скорая уезжает. Чем дальше галактика, тем сильнее растянут свет. Растягивается само пространство, как поднимающийся хлеб с изюмом. Кстати, в грузе были свежие фрукты. Я подумала о тебе».

Ответ Сами пришёл после его смены. «Я слышу сирены каждую ночь, — написал он. — Больше никогда не услышу их по-прежнему». Он добавил, что одна из его получательниц, пожилая женщина-пекарь, которая начинает работу в четыре утра, рассмеялась, когда он рассказал ей про хлеб с изюмом. Она сказала, что сорок лет делала модели Вселенной, сама того не зная.

Нур рассмеялась, прочитав это, и за завтраком прочитала сообщение вслух Томасу и Аде. Томас сказал, что лучшие объяснения, похоже, всегда приходят от людей, которые работают руками. Аде сказал, что хотел бы узнать мнение пекаря и об истории следующей ночи — о том, как прокрутить весь фильм Вселенной назад.

Возможно, сегодня вечером, если мимо проедет машина или поезд, вы прислушаетесь к тому, как меняется звук, когда он сначала приближается, а потом удаляется. Это маленькая будничная вещь. Но та же мысль, очень тщательно применённая к свету далёких галактик, показала, что мы живём в растущей Вселенной и что когда-то она должна была быть совсем другой.

Распространённые заблуждения

Многие думают, что если все галактики удаляются от нас, то мы, должно быть, находимся в центре Вселенной. Отсюда это действительно так выглядит. Но вспомните изюм. С каждой изюминки в поднимающемся тесте кажется, что все остальные удаляются. Астроном, живущий в галактике за миллиарды световых лет от нас, увидел бы ровно то же самое: все далёкие галактики удаляются от неё, а более далёкие — быстрее. Особого центра нет. Каждое место видит себя серединой, и ни одно из них ею не является.

Другое распространённое представление — будто галактики летят сквозь пространство прочь от одной точки, как осколки взрыва. Эта картина очень естественна, но описывает происходящее не лучшим образом. Галактики действительно немного движутся в пространстве, притягиваемые соседями. Но главная причина роста расстояний в том, что между ними растягивается само пространство. Поэтому же в пространстве нет точки, где расширение началось. Растяжение происходит везде одновременно, и так было с самого начала.

Некоторые задаются вопросом, не расширяется ли всё, включая Землю, станцию и их собственные тела. Если пространство растягивается, растягиваемся ли и мы? Ответ — нет. Растяжение имеет значение только на огромных пустых расстояниях между группами галактик. Внутри атома, человека, планеты, солнечной системы или галактики силы, удерживающие всё вместе, гораздо сильнее мягкого растяжения пространства, поэтому всё это сохраняет свой размер. Ваше тело, ваш кухонный стол и роботизированная рука Нур не растут. И не каждая галактика удаляется от нас. Наша близкая соседка Андромеда движется к нам, притягиваемая тяготением, — как и обнаружил Слайфер в самом первом своём измерении. Расширение — закономерность Вселенной в самом большом масштабе, а не правило для каждого предмета в ней. В следующую ночь мы проследим эту закономерность назад во времени и посмотрим, куда она ведёт.