Коротка історія часу - Стівен Вільям Хокінг

Відкриття того, що Всесвіт розширюється, було однією з великих інтелектуальних революцій XX століття. Оглядаючись назад, ми навіть дивуємося, чому ніхто не додумався до цього раніше. Ньютон та інші мали б зрозуміти, що статичний Всесвіт раніше чи пізніше почне стискатись під впливом гравітації. А тепер, навпаки, вважаємо, що Всесвіт розширюється. Якщо б розширення відбувалось достатньо повільно, сила тяжіння зрештою б його зупинила, і потім почалося б стиснення. Однак, якщо б Всесвіт розширювався зі швидкістю, більшою за певну критичну, сила тяжіння завжди була б замала, щоб це зупинити, і Всесвіт продовжував би розширюватися вічно. Це трохи схоже на запуск ракети вгору з поверхні Землі. Якщо швидкість досить низька, зрештою сила тяжіння зупинить ракету і вона почне падати вниз. Однак, якщо ракета запущена зі швидкістю, більшою за певну критичну (близько 7 миль за секунду), гравітація не буде достатньо сильна, щоб її повернути, і ракета продовжуватиме повік віддалятись від Землі. Розширення Всесвіту могли передбачити на основі Ньютонової теорії тяжіння у XIX, XVIII і навіть наприкінці XVII століть. Однак віра у статичний Всесвіт була така сильна, що вона збереглась до початку XX століття. Навіть Айнштайн, коли сформулював загальну теорію відносності у 1915 році, був такий впевнений у статичності Всесвіту, що змодифікував свою теорію, щоб це уможливити, ввівши так звану «космологічну константу» у свої рівняння. Айнштайн ввів нову «антигравітаційну» силу, що, на відміну від інших сил, не походила від якогось окремого джерела, а була вбудована в саму тканину простору-часу. Він заявив, що простір-час має питому тенденцію до розширення, що могло б точно урівноважити притягання всієї матерії речовини Всесвіту, так що наслідком буде статичний Всесвіт. Здається, лише одна людина готова була сприйняти загальну теорію відносності буквально: тоді як Айнштайн та інші фізики шукали способи обійти її передбачення про нестатичний Всесвіт, російський фізик і математик Александр Фрідман, навпаки, взявся його пояснити.

Фрідман зробив два дуже прості припущення про Всесвіт: що він виглядає однаково, хоч би в якому напрямку ми дивилися, і що це було б також справедливо, якщо б ми спостерігали з будь-якого іншого місця. Виходячи лише з цих двох ідей, Фрідман показав, що нам не слід сподіватися, що Всесвіт статичний. Справді, 1922 року, за декілька років до відкриття Габла, Фрідман передбачив саме те, що Габл відкрив!

Припущення, що Всесвіт виглядає однаково в будь-якому напрямку, явно не відповідає дійсності. Наприклад, як ми бачили, інші зорі нашої Галактики утворюють чітку смугу світла через нічне небо — Чумацький Шлях. Однак, якщо розглядати віддалені галактики, здається, що їх кількість більш-менш однакова. Отже, Всесвіт таки здається приблизно однаковим у кожному напрямку, за умови, якщо розглядати у великому, проти відстаней між галактиками, масштабі, та нехтувати відмінностями в малих масштабах. Тривалий час це була достатня підстава для припущення Фрідмана, як «грубого» наближення до реального Всесвіту. Але згодом, завдяки щасливій випадковості, виявилось, що припущення Фрідмана насправді напрочуд точне.

1965 року двоє американських фізиків з «Бел телефон лабреторіс» (Bell Telephone Laborotories) у штаті Нью-Джерсі, Арно Пенціяс та Роберт Вілсон тестували надчутливого мікрохвильового детектора. (Мікрохвилі точно такі ж, як світлові, але з довжиною хвилі близько 1 сантиметра.) Пенціяса та Вілсона занепокоїло, що їхній детектор сприймав більше шумів, ніж мало бути. Ці шуми, видавалося, не надходили з якогось певного напрямку. Спершу вони виявили пташиний послід у своєму детекторі, а потім перевірили на інші можливі несправності, згодом не підтверджені. Вони знали, що коли детектор не направлений прямо вгору, будь-який шум з атмосфери буде сильніший, адже промені світла, що поширюються близько до горизонту, проходять через значно більше газове середовище, ніж ті, що падають прямо згори. Додатковий же шум був однаковий, незалежно від того, куди направляли детектора, тож він мав надходити з-поза меж атмосфери. Він також не змінювався вдень чи вночі та впродовж року, хоч Земля оберталася навколо своєї осі та навколо Сонця. Це означало, що проміння мало надходити з-поза меж Сонцевої системи, і навіть з-за меж Галактики, бо інакше воно б змінювалось, враховуючи, що з рухом Землі детектор направлявся б у різних напрямках.

По суті, ми знаємо, що на шляху до нас, проміння має проходити через більшу частину спостережуваного Всесвіту, а що воно виявляється однакове в різних напрямках, то й сам Всесвіт має бути однаковий у всіх напрямках, принаймні у великому масштабі. Тепер нам відомо, що хоч би який напрямок ми розглядали, цей шум ніколи не змінюється більш ніж на крихітну частку: так Пенціяс та Вілсон мимоволі натрапили на разюче точне підтвердження першого припущення Фрідмана. А що Всесвіт не точнісінько такий самий у кожному напрямку, а лише в середньому у великих масштабах, то мікрохвилі також не можуть бути цілком однакові в усіх напрямках. Мають бути невеликі варіяції між різними напрямками. Їх уперше виявив 1992 року супутник КОБІ, десь на рівні приблизно однієї стотисячної. І хоча ці відмінності невеликі, вони дуже важливі, й це пояснено у восьмому розділі.

Приблизно в той же час, як Пенціяс і Вілсон досліджувати шуми в своєму детекторі, інші два американські фізики з сусіднього Принстонського університету, Боб Діке та Джим Піблс також проявляли інтерес до мікрохвиль. Вони перевіряли припущення колишнього учня Фрідмана Георгія Гамова про те, що ранній Всесвіт мав би бути дуже гарячий, густий та розпечений до білого. Діке та Піблс навели аргументи, що ми все ще спроможні бачити світіння раннього Всесвіту, бо світло від дуже віддалених його частин мало б нас досягати тільки тепер. Однак через розширення Всесвіту це світло має бути так сильно зміщене до червоного краю, що ми виявлятимемо його як мікрохвильове проміння. Діке та Піблс ще готувались до його пошуків, коли Пенціяс та Вілсон дізналися про їхню роботу і зрозуміли, що вже його знайшли. За це Пенціяс та Вілсон у 1978 році отримали Нобелівську премію, що, здається, не зовсім справедливо щодо Діке та Піблса, не кажучи вже про Гамова!

Отже, на перший погляд, усі свідчення того, що Всесвіт виглядає однаково, хоч би в якому напрямку ми дивилися, ніби вказують — є щось особливе в нашому положенні у Всесвіті. Зокрема, може здатись, що раз ми спостерігаємо, що всі інші галактики віддаляються від нас, то Земля має бути центром Всесвіту. Однак існує інше пояснення: Всесвіт може виглядати однаково в усіх напрямках і якщо спостерігати його з будь-якої іншої галактики. Це, як ми вже знаємо, було друге припущення Фрідмана. В нас