Модель расширяющейся Вселенной

В 1917 году Альберт Эйнштейн предложил модель Вселенной на основании общей теории относительности. Он считал, что Вселенная стационарна, т.е. расстояния между космическими объектами не изменяются со временем. Например, стационарной во времени является Солнечная система. Разумеется, планеты движутся, их расстояние от Солнца с течением времени меняется, поскольку их траектории – эллипсы. Однако расстояния от планет до Солнца циклически повторяются.

В масштабах Вселенной господствует гравитационная сила, которая связывает ее в единое целое. Но она ‒ сила притяжения. Возникает вопрос, почему же Вселенная до сих пор не стянулась в единый сплошной сгусток материи? Чтобы разрешить эту проблему, Эйнштейн допускал в своей космологической модели, что существует некая отталкивающая сила, которая и придает Вселенной стационарность.

Эйнштейн считал, что Вселенная безгранична, но при этом конечна в пространстве. Чтобы это легче понять, представим себе шар. Двигаясь по его поверхности, мы нигде не найдем границ, хотя объем и поверхность любого шара конечны. Таким образом, безграничность и бесконечность ‒ это разные понятия.

В 1912 году американский астроном Весто Слайфер (1875 – 1969) обнаружил эффект «красного смещения» в спектрах галактик. Вспомним, что атомы каждого химического элемента излучают и поглощают электромагнитные волны определенного набора длин и частот, и этот набор для каждого элемента уникальный, особенный. Иными словами, у каждого элемента свой спектр излучения и поглощения. Причем, каждая линия спектра соответствует определенной длине электромагнитной волны и, соответственно, определенной частоте. Спектр излучения представляет собой совокупность светлых полос на фоне радуги, а спектр поглощения – совокупность соответствующих темных полос на том же фоне. Эти закономерности позволяют с помощью спектрального анализа исследовать химический состав светящихся объектов, например, горячего металла, что важно в металлургии. Не удивительно, что такой мощный метод исследования, как спектральный анализ, нашел в астрономии широчайшее применение.

Итак, Слайфер обнаружил, что спектральные линии в спектрах галактик смещены к красному концу спектра по сравнению с такими же линиями, которые излучают земные источники света. (См. цветную иллюстрацию II).

В 1929 году Хаббл сравнивал расстояния до галактик и их «красные смещения» и обнаружил закономерность.

«Красные смещения» в спектрах галактик прямо пропорциональны расстояниям до галактик.

Эта закономерность получила название закона Хаббла. Он дал астрономии мощный метод определения расстояния до галактик.

У этого закона очень скоро появилось объяснение: «красное смещение» есть проявление эффекта Доплера.

В 1842 году австрийский физик Христиан Доплер (1803 – 1853) обнаружил эффект: если источник звуковых или световых волн движется по отношению к наблюдателю, то длина волны и частота изменяются. Если источник волн к наблюдателю приближается, то длина волны уменьшается, а частота увеличивается. И наоборот, если источник волн удаляется от наблюдателя, то длина волны увеличивается, а частота уменьшается. (См. цветную иллюстрацию III).

Например, если поезд приближается к нам, высота звука, т.е. частота звуковых колебаний, повышается, и наоборот. Так можно по изменению высоты звука определить, как движется поезд по отнощению к нам. А по тому, насколько скоро она меняется, можно даже судить, как быстро движется поезд.

Такая же закономерность справедлива и для света. И она позволяет по спектру определить, как звезда движется по отношению к нам.

Итак, «красное смещение» в спектрах галактик было истолковано как проявление эффекта Доплера. Иными словами, многие астрономы пришли к выводу, что галактики разбегаются, а вся Вселенная расширяется.

Традиционно закон Хаббла записывается в следующей форме:

v = H r

где v – скорость удаления галактики от земного наблюдателя,

r – расстояние от земного наблюдателя до галактики,

H – постоянная Хаббла.

Современное значение постоянной Хаббла составляет

.

Иными словами, скорость разбегания галактик увеличивается на 75 км/с на каждые миллион парсек[41].

По современным представлениям, Вселенная расширяется, галактики удаляются друг от друга, хотя сами галактики в размерах не увеличиваются.

Вскоре после открытия Слайфера ему было дано иное толкование. Фотон ‒ частица света, проходя огромные расстояния, пронизывает различные поля и при этом теряет энергию, что вполне логично. А, следовательно, частота, которая ему соответствует, должна уменьшаться, а длина волны ‒ увеличиваться. Действительно, по формуле Планка, энергия фотона равна

E = hν.

h – величина постоянная, поэтому в соотношении между E и ν ее учитывать не следует. Если энергия фотона Е уменьшается, то частота ν тоже должна уменьшаться и, соответственно, длина волны увеличиваться, что и обнаружил Слайфер. Если «красное смещение» есть результат «старения фотона», то никакого разбегания галактик не происходит, и Вселенная оказывается стационарной.