Мы продолжали поиск все более красных объектов по мере того, как совершенствовались методы устранения дефектов на изображениях. Мы неоднократно побили известный на тот момент рекорд красного смещения у квазара (когда мы только начинали работать, он составлял 4,9). Всякий раз при взятии очередного рекорда мы звонили Джиму Ганну (он трудился на проекте Слоановского обзора и сам был одним из первопроходцев в изучении квазаров). Прерывая его десятый сон (дело все-таки было в три часа ночи или около того), мы говорили: «Джим, рекорд снова побит!» – «Хорошо работаете, ребята, – отвечал он, – всегда мечтал, чтобы меня будили именно по такому поводу». И снова ложился спать.
Водородная линия Лайман-альфа, хорошо заметная в спектре нашего наиболее удаленного объекта с рис. 16.5, обычно соответствует длине волны 1216 Å. Здесь она сильно сдвинута в ближнюю инфракрасную область спектра, и длина волны достигает 9000 Å. Красное смещение (9000 Å – 1216 Å)/1216 Å составляет 6,42, таким образом, сейчас между нами и этим квазаром 28 миллиардов световых лет. Когда мы открыли его в 2001 году, этот квазар обладал максимальным красным смещением среди всех известных объектов. Вероятно, огромное расстояние до него даже не столь поразительно, как следующий факт: мы видим свет, покинувший этот объект примерно 13 миллиардов лет назад, когда Вселенной было всего 850 миллионов лет. Если реликтовое излучение – отсвет новорожденной Вселенной, то сейчас мы исследуем свет из времен Вселенной-карапуза.
Здесь мы подходим к еще одной космической тайне. Как отмечалось выше, спектр квазара позволяет оценить массу черной дыры, подпитывающей его. Типичная масса большинства далеких квазаров – около 4 миллиардов солнечных масс, примерно столько весят и крупнейшие черные дыры, известные сегодня в наблюдаемой части Вселенной. Но, как вы помните, изотропность РИ свидетельствует, что ранняя Вселенная была практически полностью однородной. Требуется объяснить, как в условиях такого почти полного отсутствия всяческих структур сверхмассивные черные дыры (максимально плотные из известных объектов) могли сформироваться всего за 850 миллионов лет. Чтобы могла появиться такая черная дыра, во Вселенной уже должны были родиться и состариться первые звезды, они должны были взорваться как сверхновые, и на их месте должны были остаться черные дыры, сопоставимые по массе со звездами. Аккреция материи в таких черных дырах должна была происходить с колоссальной скоростью, чтобы они успели нарастить такую огромную массу. Теоретические модели свидетельствуют, что это едва возможно даже в идеальных условиях и, таким образом, подобные квазары с высоким красным смещением должны встречаться редко. Так и есть; поиски продолжаются уже более десяти лет, а мы нашли всего несколько десятков квазаров с огромными красными смещениями.
Поиск все более далеких квазаров продолжается; в 2011 году наш рекорд был побит с запасом – открыли квазар с красным смещением 7,08. Это удалось сделать при помощи телескопа, настроенного на еще более длинные волны (расположенные дальше в инфракрасной части спектра), чем в Слоановском обзоре. С тех пор как квазар излучил свет, который мы видим сегодня, Вселенная расширилась в 8,08 раза. Другие группы работают с космическим телескопом «Хаббл», телескопом «Субару» на Гавайях и с другими телескопами, позволяющими находить галактики с еще более высокими красными смещениями. Пока неясно, удастся ли объяснить эти и будущие открытия при помощи имеющихся моделей образования галактик и роста черных дыр, если рекорды красного смещения так и будут обновляться. Впереди нас ждет много интересного!
Астрономия чудесна тем, что всякий раз, когда ты посмотришь в небеса по-новому, начинаются фундаментальные и непредвиденные открытия. Хорошее подтверждение тому – Слоановский цифровой обзор неба, о сделанных с его помощью открытиях много рассказывалось в этой главе и главе 15. В настоящее время строится телескоп Large Synoptic Survey Telescope, расположенный в чилийских Андах. Его светособирающая способность будет еще выше, чем у Слоановского телескопа, и в течение десятилетнего срока эксплуатации он позволит изучать свойства тусклых галактик и квазаров, картировать распределение темной материи по данным о гравитационном линзировании и искажению форм галактик. Также этот телескоп позволит открыть сотни тысяч сверхновых и других недолговечных феноменов. Телескоп отснимет четверть всего неба: 860 полноценных кадров за 10 лет. В ходе этого обзора должны быть открыты сотни тысяч объектов в поясе Койпера, а также выявлены астероиды, приближающиеся к Земле. Но самых поразительных открытий мы, вероятно, даже себе не представляем; процитировав знаменитые слова Дональда Рамсфелда, можно сказать, что это «неизвестные неизвестности».
Часть 3Эйнштейн и Вселенная
Глава 17Путь Эйнштейна к теории относительности
Автор: Дж. Ричард Готт
Фамилия Эйнштейн уже стала синонимом слова «гений». Например, кто-то может сказать: «Эй, Эйнштейн, иди сюда!» («Эй, гений, иди сюда») или «Он не Эйнштейн», то есть «Он не гений». Эйнштейн знаменит своей гениальностью. Ньютон тоже был гением. Но во всем мире и в разные эпохи жили и другие гении. Кто величайшее светило английской литературы? Шекспир! Анализируя его пьесы и стихи, многие утверждают, что у Шекспира был самый богатый в истории подтвержденный словарный запас. В его произведениях насчитывается 31 534 разных слова. Статистический анализ его творчества, выполненный Брэдли Эфроном и Рональдом Тистедом, позволяет предположить, что на самом деле Шекспир знал более 66 000 разных слов. Шекспир победил бы Ньютона в вербальном разделе SAT, а Ньютон, подозреваю, обставил бы Шекспира в математическом разделе SAT. Часто Ньютон оказывается в таких рейтингах выше Эйнштейна, поскольку не только изучал тяготение и оптику, но и сделал важный вклад в математику, изобретя дифференциальное и интегральное исчисление. Но Ньютону еще и повезло родиться в нужном месте в нужное время: в Европе, где обсуждались именно такие задачи. Исаак Барроу, кембриджский профессор, который также стал наставником Ньютона, интересовался вычислением объема бочек и других подобных емкостей – такая задача лучше всего решается именно при помощи интегрального исчисления. Естественно, на тот момент наука уже дозрела до открытия дифференциального и интегрального исчисления. Фактически философ и математик Готфрид Вильгельм Лейбниц был вторым человеком в Европе, который изобрел интегральное и дифференциальное исчисление независимо от Ньютона. Взгляните на карту – Лейбниц был современником Ньютона и жил всего в нескольких сотнях километров от него. Это не просто совпадение – такие идеи в то время обсуждались по всей Европе.
Мир конца XVII века готов был разродиться великими открытиями, ведь Кеплер уже успел количественно выразить наблюдения за положениями планет, изложенные Тихо Браге на 600 страницах, и сформулировал на их основе три простых закона движения планет, причем эти законы подчинялись математическому анализу. Как рассказывал Майкл в главе 3, Ньютон воспользовался третьим законом Кеплера для расчета силы тяготения, 1/r2. Аналогичная ситуация возникла и в XX веке: экспериментальные данные о длине волны водорода в серии Бальмера вывели ученых на формулу, описывающую энергетические уровни в атоме водорода и подготовили почву для квантовой трактовки атома, предложенной Нильсом Бором и Эрвином Шрёдингером.
Журнал Time назвал Эйнштейна наиболее влиятельным человеком XX века. В других веках такого звания по версии Time удостоились Гутенберг, королева Елизавета I, Джефферсон и Эдисон. Шекспир в список не попал, поскольку в XVII веке Time выделил Исаака Ньютона.
В Тринити-колледже Кембриджского университета установлена очень красивая статуя Ньютона в полный рост. Уильям Вордсворт написал о ней стихи, где есть строки:
Как циферблат ума, что в одиночку
Плывет сквозь Мысли тайные моря.
На постаменте надпись: «Newton Qui genus humanum ingenio superavit», что переводится как «Ньютон, кто превзошел своим умом весь род человеческий». Для тех, кто подобно Нилу считает Ньютона умнейшим человеком в мире, эта фраза послужит реальным аргументом, увековеченным в мраморе. Статуя Эйнштейна гораздо выше человеческого роста установлена в Вашингтоне, столице США, неподалеку от Мемориала ветеранов войны во Вьетнаме и перед фасадом Национальной академии наук. Этот монумент изображает сидящего Эйнштейна, и все равно его высота больше 3,5 м. Дети приходят и играют у колен Эйнштейна.
Теперь давайте немного подробнее сравним Эйнштейна и Ньютона. Я не собираюсь оспаривать мнение Нила о том, что Ньютон – величайший ученый всех времен. Хочу воздать Ньютону должное. Но я собираюсь доказать, что Эйнштейн мог бы посоперничать за это звание и был человеком того же калибра, что и Ньютон.
Каково самое знаменитое уравнение Ньютона?
F = ma.
А самое знаменитое уравнение Эйнштейна?
E = mc2.
Какая из двух этих формул более известна? Ньютоновское уравнение, подробно рассмотренное в главе 3, означает, что чем массивнее объект, тем тяжелее он набирает скорость. Формула важна с точки зрения динамики, но довольно проста. На фортепиано сложнее играть, чем на гармошке. Уравнение Эйнштейна означает, что крохотную массу можно преобразовать в огромную энергию. Этот секрет – суть атомного взрыва. Он позволяет понять, как светит Солнце. Какое уравнение кажется вам более важным?
У Ньютона есть еще одно знаменитое уравнение, F = GmM/r2, характеризующее гравитационное взаимодействие между двумя материальными точками с массами m и M. Оно довольно важное. У Эйнштейна также есть другое уравнение: E = hν, означающее, что свет состоит из порций энергии, именуемых