Это уже что-то. У нас есть достоверный образ расширения Вселенной (кекс с изюмом) и понимание причины красного смещения у галактик (растяжение световых волн). Пора затронуть тонкий вопрос о расстояниях в космосе.
Как я говорил, космологи используют красное смещение у галактик в качестве показателя удаленности. Прекрасно! Но что конкретно мы подразумеваем под удаленностью галактики? Предположим, галактика испустила свет очень давно, когда находилась в 5 млрд св. лет от Млечного Пути. К тому времени, когда свет наконец достигает Земли, дистанция могла увеличиться до 10 млрд св. лет, поскольку пространство расширяется постоянно.
Возникает проблема. Красное смещение у галактики не дает нам никакой информации ни о первоначальной, ни о нынешней дистанции. Единственное, что мы можем извлечь из красного смещения, – сколько времени свет шел сквозь расширяющееся пространство. Это не 5 и не 10 млрд лет, а какая-то промежуточная величина, возможно около 7 млрд лет.
Что же можно сказать о расстоянии до галактики? Строго говоря, нечто вроде: «Эта галактика настолько удалена, что ее свету, идущему сквозь расширяющееся пространство, потребовалось 7 млрд лет, чтобы достичь нас». Слишком многословно. Поэтому, исключительно ради простоты, большинство астрономов ограничатся следующим: «Эта галактика находится от нас в 7 млрд св. лет». В конце концов, время нахождения в пути света этой галактики – 7 млрд лет – единственное, что можно измерить.
Разумеется, это не точная формулировка. В следующий раз, когда с вами заговорят о галактике, находящейся на расстоянии 11 млрд св. лет, напомните себе, что на самом деле говорящий имеет в виду следующее: свету галактики потребовалось 11 млрд лет, чтобы достичь нас, – это единственное, что мы можем установить точно, измерив красное смещение для этой галактики. В момент, когда этот свет был излучен (11 млрд лет назад), галактика была к нам гораздо ближе – может быть, всего в нескольких миллиардах световых лет. А в данный момент, когда этот свет наконец дошел до Земли, галактика может находиться более чем в 20 млрд св. лет.
Предвижу ваши возражения. Двадцать миллиардов световых лет? Как галактика может быть так далеко, если Вселенной всего 13,8 млрд лет? Разве Эйнштейн не учит нас, что ничто не может двигаться быстрее света? Как в таком случае нечто могло удалиться на расстояние 20 млрд св. лет за время менее 14 млрд лет?
Напоминаю, что расширяющаяся Вселенная не фейерверк. Галактики не несутся сквозь пространство. Дистанции до них увеличиваются, потому что расширяется само пространство. Очень дальняя галактика никогда не двигалась хоть сколько-нибудь быстрее света, хотя расстояния между нами и ею могло увеличиваться более чем на 300 000 км за каждую секунду. Предел космической скорости Эйнштейна не нарушен.
Возможно, это звучит абсурдно, но это правда. Никакая энергия, материя или информация какого угодно типа не перемещаются в пространстве со скоростью, хоть сколько-нибудь превышающей скорость света. Общий принцип относительности никому поблажек не делает. Тем не менее дистанция, разделяющая две удаленные точки в расширяющемся пространстве, может за секунду увеличиваться более чем на 300 000 км.
Означает ли это, что Вселенная расширяется быстрее скорости света? И да и нет. Все зависит от дистанции, которой вы интересуетесь. Как ни странно, у Вселенной нет единой скорости расширения. Расстояние между двумя относительно близкими точками в пространстве может расти на 10 000 км/с, а между двумя очень сильно удаленными друг от друга точками – на 500 000 км/с. Причем без ущерба для теории Эйнштейна.
Насколько известно астрономам, Вселенная может иметь бесконечные размеры. Это трудно себе представить – наш мозг не приспособлен к оперированию понятием бесконечности. Впрочем, представить конечную Вселенную столь же, а возможно, и более тяжело. Если Вселенная имеет ограниченные размеры, у нее должны быть границы. Как выглядит и ощущается граница Вселенной? И что находится за ней?
Попробую объяснить, как Вселенная в принципе может быть конечной, не имея краев. Если это кажется вам парадоксальным, представьте двумерную модель Вселенной, которой мы пользовались в главе 4, – лист миллиметровки. Будучи трехмерными существами, мы можем изогнуть бумагу в поверхность сферической формы. Двигаясь по этой искривленной поверхности, воображаемые плоскоземельники, обитающие в двумерной Вселенной, никогда не достигнут ее края. Тем не менее их мир имеет конечные размеры – если они решат выкрасить его весь в желтый цвет, им не потребуется бесконечное количество краски.
Аналогично наша трехмерная Вселенная теоретически может быть конечной и не иметь четко определенного края, если некто согнул ее в пространстве большей размерности. Если у вас от этого раскалывается голова, не тревожьтесь – все доступные свидетельства предполагают, что наша Вселенная не имеет крупномасштабной, глобальной кривизны. Следовательно, она по-настоящему бесконечна. (Что, вероятно, обеспечит вам новый приступ головной боли.)
Как бесконечная Вселенная могла вырасти из одной-единственной точки?
Никак.
Это еще одно огромное заблуждение – что на момент Большого взрыва все вещество Вселенной было сконцентрировано в единственной точке. Этого не было, во всяком случае при условии бесконечности размеров Вселенной[57]. Около 2 млрд лет назад расширение пространства еще не достигло сегодняшнего уровня. Все расстояния в космосе были в два раза меньше нынешних. Галактики находились ближе друг к другу. Средняя плотность материи во Вселенной была в 8 раз выше (в два раза меньшее расстояние означает в 8 раз меньший объем: ½ × ½ × ½). Но и тогда Вселенная имела бесконечные размеры. Как вы, возможно, помните из старших классов школы, бесконечность, деленная на два, остается бесконечностью.
В намного более давнем прошлом, примерно в то время, когда галактики только начали образовываться, все расстояния составляли 1/10 от нынешних, а плотность Вселенной была в тысячу раз выше (объем составлял 1/1000 сегодняшнего: 1/10 × 1/10 × 1/10). Но бесконечность, деленная на 10, – все равно бесконечность, то есть и тогда Вселенная была бесконечной.
Почти 13,8 млрд лет назад, всего через несколько сот тысяч лет после Большого взрыва, космические расстояния составляли около 1/1000 (десятую долю процента) своих текущих значений. Галактики и звезды еще не образовались. Вселенная была наполнена горячим нейтральным газом, главным образом водородом и гелием. Ее плотность была в миллиард раз выше, чем сейчас (поскольку объем равнялся одной миллиардной современного: 1/1000 × 1/1000 × 1/1000), температура достигала нескольких тысяч градусов Цельсия. Вся Вселенная светилась горячим ослепительным светом, как поверхность Солнца. Но и тогда она должна была иметь бесконечные размеры.
Забираемся в прошлое еще дальше, и как плотность, так и температура Вселенной увеличиваются до экстремальных. Они настолько высоки, что невозможно существование электрически нейтральных атомов и даже протонов или нейтронов (см. главу 5) – только кипящий бульон элементарных частиц и высокоэнергетических протонов.
Что же такое Большой взрыв?
В каком-то смысле это и был Большой взрыв. Говоря о Большом взрыве, космологи обычно имеют в виду это сверхплотное сверхгорячее первоначальное состояние Вселенной. Они могут рассчитать, как выглядела Вселенная в возрасте 10 лет или года, трех минут или доли секунды. Прекрасно! Но у нулевого момента времени их теории рассыпаются. Подлинный источник Вселенной – тайна. Пока тайна.
Можно представить себе эту картину иначе. Давным-давно плотности и температуры были экстремально высоки везде во Вселенной. Абсолютно каждая точка пространства когда-то находилась в сверхплотном и сверхгорячем первоначальном состоянии Вселенной. Если бы мы перенеслись на машине времени на 13,8 млрд лет назад в ту же самую точку пространства, в которой находимся сейчас, то были бы сожжены первичной плазмой – как и в любой другой точке Вселенной. Вы, наверное, уже догадались, к чему я веду: Большой взрыв произошел везде.
Итак, мы имеем галактики, разнесенные на большие дистанции, как изюминки в тесте, световые волны, растянувшиеся за миллиард лет пути через расширяющееся пространство, Вселенную, возможно всегда имеющую бесконечные размеры, и Большой взрыв, произошедший везде. Мне остается рассказать о послесвечении творения, важном для нашего знакомства с волнами Эйнштейна.
Прежде, однако, я должен объяснить, что такое космический горизонт. Космический горизонт определяет, насколько глубоко во Вселенную мы можем заглянуть.
Было бы наивностью считать, что астрономы могут смотреть на любое желаемое расстояние – дайте им телескоп побольше, и они смогут наблюдать более далекие галактики. Это рассуждение не учитывает ограниченности скорости света – и ограниченного возраста Вселенной.
Какое отношение скорость света (300 000 км/с) имеет к нашей возможности заглядывать в глубины космоса? Определяющее. Дело в том, что смотреть далеко в пространство означает также смотреть далеко в прошлое.
Ясной летней ночью вы можете увидеть яркую звезду Денеб в созвездии Лебедя – огромная сияющая звезда легко различима невооруженным глазом, несмотря на дистанцию около 2600 св. лет. Эта означает, что свету Денеба требуется 2600 лет, чтобы дойти до Земли. Иными словами, свет, который мы видим сегодня, был излучен 2600 лет назад, примерно в то время, когда родился древнегреческий философ Фалес Милетский. Мы видим эту звезду не такой, какова она сейчас, а какой она была больше двух с половиной тысячелетий назад. Мы смотрим в прошлое.
(Если вам интересно – да, это означает, что звезды Денеб, возможно, уже не существует. Если она взорвалась в 400 г., свет взрыва дойдет до нас не раньше, чем через тысячу лет от настоящего момента.)