Но вне всякого сомнения, эфир можно обнаружить! Немецко-американский физик Альберт Михельсон (1852–1931) затеял умный эксперимент. Если Земля несется через эфир, луч света, посланный под правильным углом по направлению к Земле, а затем вернувшийся в исходную точку, всегда придет на исходное место раньше, чем луч, посланный по направлению к Земле и отраженный из более высокой точки «потока». Михельсон несколько раз пытался определить разницу во времени прохождения луча: наиболее сложный эксперимент он поставил совместно с американским физиком Эдвардом Морли (1838–1923) в 1887 году Разницу во времени выявить не удалось.
Это было потрясением. Казалось, объяснить это можно лишь двумя способами:
1) Земля покоится в эфире. Однако это как-то попахивало геоцентрической космологией: почему Земля — единственный объект во Вселенной, который находится в состоянии «абсолютного покоя»?
2) Предположение, выдвинутое ирландским физиком Джорджем Фицджеральдом (1851–1901) и голландским физиком Хендриком Лоренцем (1853–1928), было верным, хотя и необычным: движущиеся объекты немного укорачиваются в направлении своего движения (так «мерные стержни» изменяли свою длину таким образом, что скрывалось несоответствие в длине пройденного пути).
3) Вероятность того, что эфира не существует, по-видимому, мало кому, кроме Эрнста Маха (1838–1916), приходила в голову, пока Альберт Эйнштейн (1879–1955) в 1905 году не выдвинул свою знаменитую теорию относительности. Эта теория отрицала понятия «абсолютного покоя» и «абсолютного движения» и показала, что сжатие Лоренца-Фицджеральда может происходить и без участия такого сомнительного фактора, как эфир.
Космологическая постоянная
Когда в 1917 году Альберт Эйнштейн работал над общей теорией относительности, он обратил внимание на странную вещь: по его уравнениям выходило, что Вселенная расширяется. Но все космологи придерживались мнения, что бесконечная Вселенная в целом статична. Эйнштейн, не решаясь противоречить «факту», ввел в уравнения поправочный множитель — космологическую постоянную, которая позволяла иметь дело со статичной Вселенной. Позднее он скажет Джорджу Гамову (1904–1968), что это была самая большая ошибка в его жизни.
Незадолго до того как Эйнштейн опубликовал свою общую теорию относительности, американский астроном Весто Мелвин Слайфер (1875–1969) увидел красное смещение в спиральной туманности. В то время, однако, никто не знал, что спиральная туманность на самом деле является отдаленными галактиками — это открытие произошло только в 1923 году, когда Эдвин Хаббл (1889–1953) указал на изменчивость цефеид в туманности и таким образом понял, что туманность должна быть очень большими и очень далекими скоплениями звезд, а не относительно близкими газовыми облаками. И потому наблюдение Слайфера не повлияло на устоявшееся мнение о статичности Земли. Существовало другое удобное объяснение красным смещениям: они вызваны эффектом Допплера (то есть удаляются). Поэтому предположение Эйнштейна о статичной Вселенной было в то время обоснованным.
Примечательно, что позднее в том же году, когда Эйнштейн опубликовал теорию относительности, голландский астроном Виллем де Ситтер (1872–1934) опубликовал альтернативное решение для уравнения поля этой теории. То, что решение Ситтера явно доказывало, что Вселенная нестатична, тогда сочли основным его недостатком. Даже после того, как в 1923 году Хаббл открыл истинную природу спиральной туманности, не сразу стало ясно, что Вселенная расширяется. Хотя в 1920-х годах Артур Эддингтон (1882–1944), Александр Фридман (1888–1925), Жорж Леметр (1894–1966) и некоторые другие ученые предполагали, что это действительно так, на них в целом не обращали внимания, Лишь в 1929 году, когда Хаббл и Милтон Хьюмасон (1891–1972) доказали, что красные смещения галактик усиливаются по мере их удаленности от нас, космологическая постоянная сошла со сцены — к великому облегчению Эйнштейна, потому что он был чуть ли не одержим неприязнью к лишним усложнениям, которые лишали математические решения изящества.
По нелепой случайности, хотя Эйнштейну было вполне простительно допустить «грубую ошибку», введя космологическую постоянную, поскольку все полагали, что Вселенная статична (теория верна лишь в том случае, если верны лежащие в ее основе наблюдения), в связи с этим он все же допустил действительно грубую ошибку. Он не смог понять, что даже при наличии космологической постоянной его уравнения предполагают статичность Вселенной лишь в очень специфических условиях — условиях недолговечных: достаточно было бы малейшего их изменения, чтобы Вселенная начала неумолимо расширяться. Стивен Вайнберг (р. 1933) предположил, что, возможно, Эйнштейн раскаивался в «самой грубой ошибке» потому, что чуть было не открыл расширение Вселенной.
Позднее, когда выяснилось, что расширение Вселенной не такое простое дело, как об этом когда-то думали, стали считать, что, возможно, Эйнштейн в конечном счете правильно сделал, введя космологическую постоянную. Постоянная была отталкивающей силой, которая, в отличие от притягивающей силы гравитации, с расстоянием увеличивается. Это сделало бы ее грубым подобием современной космологической концепции темной энергии. Но сравнение космологической постоянной Эйнштейна с предсказанием им темной энергии выглядит как-то агиографически: эти концепции похожи лишь с виду.
Незавершенное творение
Как уже упоминалось, красное смещение света, которое наблюдается в далеких галактиках, является результатом удаления этих галактик от нас. Более того, чем дальше они от нас, тем больше красное смещение и, таким образом, выше скорость, с которой они удаляются. Это не означает, что мы находимся в центре Вселенной. Представьте себе шар, на поверхности которого нарисовали галактики; теперь представьте, что вы надуваете этот шар. По мере того как шар надувается, с точки зрения любой из нарисованных галактик, все другие галактики удаляются, а самые далекие из них удаляются быстрее других.
В связи с этим несколько десятилетий полагали, что в отдаленном прошлом все вещество/вся энергия во Вселенной были собраны в одной точке: возможно, «космическое яйцо» взорвалось 15 миллиардов лет назад, и со времен Большого взрыва различные скопления материи во Вселенной — галактики — удаляются друг от друга.
Но предположим, что все было не так просто. Допустим, что во Вселенной не было момента творения, что она вечна. Теперь допустим, что с любого момента на протяжении бесконечной истории Вселенной, где бы и когда бы вы ни оказались, вы по-прежнему видели бы удаляющиеся от вас галактики. Такая Вселенная, бесконечная как во времени, так и в пространстве, была описана в стационарной модели, предложенной Томасом Голдом (1920–2004), Германом Бонди (1919–2005) и Фредом Хойлом (1915–2001) в конце 1940-х годов. Они предположили, что мы наблюдаем удаление галактик вследствие «незавершенного творения» вещества из ничего. Эта идея явно противоречит здравому смыслу, но тогда и сама идея Большого взрыва тоже противоречит здравому смыслу.
Согласно модели стационарной Вселенной, атомы вещества попадают в пространство-время из ниоткуда, и каждый из них тут же увеличивает общий «размер» ткани пространства-времени; в итоге галактики «отталкиваются» друг от друга, так как новая материя в конечном счете, несомненно, используется для образования новых галактик. Это значит, что пространство само растягивается, чтобы вместить вновь поступившую материю. Поскольку масса бесконечной Вселенной бесконечна, вряд ли разумно рассуждать об общей массе Вселенной, которая увеличивается в ходе этого процесса. В дополнение к этому для создания эффекта видимого удаления галактик скорость появления новых атомов не обязательно должна быть очень высокой. В книге «Frontiers of Astronomy» (Новая физика и астрономия) (1955) Хойл сказал: один атом водорода в секунду будет появляться в кубе, сторона которого равна 160 километрам, или, иначе говоря…примерно один атом в век в объеме, равном Empire State Building».
Теория рухнула. Глядя в телескоп на далекие объекты, мы всегда смотрим в прошлое. Если бы модель стационарной Вселенной была верна, удаленные части Вселенной были бы очень похожи на ближе расположенные части; к сожалению, это не так. Так что можно забыть об утверждении, будто материя появляется из ниоткуда.
Или нет? Теоретически возможно, что пары элементарных частиц на самом деле могут появляться из ничего: каждая паря образована одной частицей материи и одной частицей антиматерии. При естественном ходе событий они немедленно соединяются и аннигилируют друг друга, так что это парное творение не сильно изменит Вселенную, и именно поэтому подобный процесс возможен. Но представьте себе, что какое-то одно парной творение появилось около сильного источника гравитации — например около черной дыры. В этом случае, пока одна частица погружается в черную дыру, другую может отнести от дыры так, что она присоединится к остальной Вселенной. Другими словами, материя на самом деле может регулярно появляться «из ничего», хотя это вроде бы противоречит здравому смыслу.
