Коротка історія часу - Стівен Вільям Хокінг

Що ж до Кеплера, то його здогад про еліптичні орбіти був лише гіпотезою ad hoc (для цього випадку) і, крім того, не зовсім красивою, бо еліпси, певна річ, менш досконалі, ніж кола. Майже випадково виявивши, що еліптичні орбіти якнайточніше відповідають спостереженням, він так і не зміг узгодити це відкриття зі своєю думкою про те, що планети обертаються навколо Сонця завдяки магнетним силам. Пояснення з’явилося набагато пізніше, 1687 року, коли сер Ісак Ньютон опублікував свої «Математичні основи натуральної філософії»[6] — чи не найважливішу з усіх працю, присвячену природничим наукам. У ній Ньютон не лише висунув теорію про те, як рухаються тіла в просторі й часі, а й розробив складні математичні методи, що дали змогу аналізувати цей рух. Крім того, Ньютон постулював закон всесвітнього тяжіння, згідно з яким усяке тіло у Всесвіті притягається до іншого тіла, і що більші їхні маси і менша віддаль між ними, то більша сила тяжіння. Саме вона змушує падати предмети на землю. (Історія про те, що Ньютон винайшов цей закон, надихнувшись яблуком, яке впало йому на голову, майже напевне невірогідна. Сам Ньютон завжди розповідав, що ідея гравітації спала йому на думку, коли він сидів «у споглядальному настрої» і «був спонуканий падінням яблука»). Далі Ньютон показав, що, відповідно до його закону, сила тяжіння змушує Місяць рухатися по еліптичній орбіті навколо Землі, а Землю та інші планети — по еліптичній траєкторії навколо Сонця..

Модель Коперника допомогла позбутися Птолемеєвих небесних сфер, а заразом і думки, що Всесвіт має якусь природну межу. «Нерухомі зорі» не змінюють свого положення, коли не брати до уваги кругового руху по небу, пов’язаного з тим, що Земля обертається навколо своєї осі. Тож цілком природно було припустити, що вони подібні до нашого Сонця, тільки набагато віддаленіші.

Ньютон розумів, що, згідно з його теорією гравітації, зорі мають притягатися одна до одної, і тому, здавалося б, не можуть залишатися зовсім нерухомими. Чи не впадуть вони всі разом у якійсь точці? 1691 року в листі до Ричарда Бентлі, ще одного провідного мислителя того часу, Ньютон стверджував, що так і справді могло б статися, якби ми мали тільки скінченну кількість зір у скінченній частині простору. Але, розважав він, якщо кількість зір нескінченна і вони розподілені більш-менш рівномірно в нескінченному просторі, то цього не станеться, бо немає ніякої центральної точки, до якої вони могли б падати.

Цей аргумент — приклад того, як легко вскочити в пастку, говорячи про нескінченність. У нескінченному Всесвіті будь-яку точку можна вважати за центр, бо кількість зір з усіх боків довкола неї нескінченна. Правильніше було б, як це зрозуміли згодом, розглянути скінченну систему, де всі зорі падатимуть одна на одну, а тоді знайти відповідь, як усе змінюватиметься, коли до цієї системи додавати дедалі більше зір, розподілених приблизно рівномірно поза нею. Відповідно до закону Ньютона, додані зорі майже ніяк не вплинуть на початкові, отже вони падатимуть із тою самою швидкістю. І хоч скільки додати зір, вони, як і перше, падатимуть одна на одну. Тепер ми вже знаємо, що нескінченної статичної моделі Всесвіту, де гравітація завжди притягальна, бути не може.

Ось такий цікавий відбиток загального стану наукової думки до двадцятого століття: нікому й на гадку не спало, що Всесвіт може розширюватися чи стискатися. Загалом вважали, що Всесвіт вічно існував у незмінному стані або був створений у певний скінченний момент часу в минулому приблизно таким, яким ми бачимо його сьогодні. Почасти це можна пояснити схильністю людей вірити у вічні істини, а також знаходити відраду в думці, що хай навіть вони самі старіють і вмирають, проте Всесвіт лишається вічним та незмінним.

Навіть ті, хто зрозумів, що Ньютонова теорія тяжіння спростовує статичність Всесвіту, не припускали, що він може розширюватися. Натомість вони спробували змодифікувати теорію, зробивши гравітаційну силу відштовхувальною на дуже великих відстанях. Це істотно не вплинуло на передбачуваний рух планет, однак дало змогу нескінченному розподілові зір залишатися зрівноваженим, бо сили притягання між близькими зорями були скомпенсовані силами відштовхування від далеких. Однак тепер ми вважаємо, що така рівновага була б нестабільна: якби зорі в якійсь частині простору хоч трохи наблизилися одна до одної, то сили притягання між ними б зросли й перевищили сили відштовхування, отже, зорі й далі падали б одна на одну. А якби зорі хоч трохи віддалилися одна від одної, то переважили б сили відштовхування й відстань між зорями збільшилася б.

Ще одне заперечення нескінченного статичного Всесвіту зазвичай приписують німецькому філософу Гайнрихові Ольберсу, що 1823 року виклав свої міркування про цю теорію. Насправді ж її досліджувало багато Ньютонових сучасників, і Ольберсова цілком аргументована стаття була не перша. Однак вона зробилася найвідомішою. Все ускладнювалося тим, що в нескінченному статичному Всесвіті майже кожний промінь зору мав би впиратися в якусь зорю. Отже, можна було б очікувати, що все небо сяятиме так само яскраво, як Сонце, навіть уночі. Контраргумент Ольберса полягав у тому, що світло від далеких зір потьмяніло б, бо його поглинула б проміжна матерія. Проте в такому разі сама проміжна матерія мала б нагрітися й засяяти так само яскраво, як зорі. Єдиний спосіб уникнути висновку, що все нічне небо має бути таке ж яскраве, як і поверхня Сонця, — припустити, що зорі світили не вічно, а загорілися в певний скінченний момент часу в минулому. Тоді ще, можливо, поглинальна матерія не розігрілася або ж світло від далеких зір не дійшло до нас. Але перед нами постає питання: чому запалали зорі?

Звичайно, проблему виникнення Всесвіту обговорювали з давніх-давен. Згідно з кількома ранніми космологічними теоріями і юдейсько-християнсько-мусульманськими уявленнями, Всесвіт виник у певний скінченний і не дуже віддалений момент часу в минулому. Однією з підстав для такого твердження була потреба в «першопричині», яка б могла пояснити існування Всесвіту. (Всяку подію у Всесвіті люди завжди пояснювали іншою подією, яка відбулася раніше, проте існування самого Всесвіту пояснити таким чином можна, тільки якщо він має початок). Інший аргумент висунув Святий Авґустин у своїй книжці «Про град Божий». Він зазначив, що цивілізація розвивається, і ми пам’ятаємо, хто зробив який учинок чи винайшов той чи той спосіб. Отже, людина, а також, певно, і Всесвіт, навряд чи існують довго. За дату створення Всесвіту Святий Авґустин визнав 5000 р. до н. е. відповідно до книги «Буття». (Цікаво, що ця дата