Веревка вокруг Земли и другие сюрпризы науки - Карл Саббаг

Вот еще один из тех на первый взгляд простых вопросов, которыми ученые задавались издавна и которые привели к удивительным и довольно глубоким ответам. Выросши в мире, где естественный цвет ночного неба — темный (если только мы не живем за Полярным кругом), большинство из нас наверняка ответит вопросом на вопрос: а почему бы ночному небу не быть темным? Когда очевидный источник света — Солнце — скрывается за горизонтом, стоит ли удивляться, что, подняв глаза к небу, мы видим бездонную черноту, разбавленную лишь крупинками звезд и время от времени, конечно, Луной. (Обсуждение интересной подробности, что с Луны даже при наличии Солнца небо все равно кажется черным, оставим на другой раз.)

Когда этот вопрос был задан впервые, люди верили, что Вселенная бесконечно велика и содержит бесконечное количество звезд. Если бы дело было только в этом, то, откуда бы вы ни посмотрели в ночное небо, линия вашего взгляда — прямая, проведенная от вашего глаза далеко в космос, — обязательно уткнулась бы в поверхность какой-нибудь звезды. Это все равно что пытаться оглядеться в лесу с бесконечным количеством деревьев, понатыканных в случайном порядке. Куда бы вы ни посмотрели, линия обзора неминуемо окажется заслонена древесным стволом.

Итак, если из любой точки Земли линия вашего взгляда упирается в звезду, логично полагать, что все ночное небо должно быть столь же светлым и ярким, как поверхность звезды. Вы можете возразить на это наблюдением, что «чем звезды дальше, тем меньше света они дают». Общая светимость звезды действительно уменьшается с расстоянием, но это потому, что и диск звезды, который мы видим, намного меньше, чем он есть на самом деле. Любая точка на поверхности звезды, видимой с Земли, светится очень ярко, но, поскольку диск звезды очень мал, таких «точек» в сумме видно немного, и общая яркость звезды не так уж велика. Впрочем, будь Вселенная бесконечной, вы видели бы точки звездных поверхностей повсюду, куда ни глянь, и небо по ночам сияло бы ослепительным светом.

В XIX веке, в те времена, когда научные знания еще не стали вотчиной одних только ученых и фанатов самообразования, американский поэт и прозаик Эдгар Аллан По настолько заинтересовался парадоксом ночного неба, что выдвинул свое объяснение и включил его в произведение, которое он сам называл стихотворением в прозе:

«Будь череда звезд бесконечной, театральный задник небесных декораций являл бы собой сплошное свечение, словно бы Галактика решила перед нами похвастаться — не было бы ни единой точки на всем протяжении неба, где не нашлось бы звезды. Исходя из этого, единственный способ постичь при таком положении дел существование пустот, обнаруживаемых нашими телескопами в бесчисленных направлениях, это предположить, что толщина невидимого небесного задника столь невообразима, что ни один луч света не способен пробиться к нам сквозь него»[16].

И что в этих рассуждениях не так? Да нет, вообще-то все верно. В бесконечно большой Вселенной с бесконечно большим числом случайно разбросанных в пространстве звезд ночное небо ослепительно сверкало бы. Значит, нужно разобраться, какое из исходных допущений ошибочно. А может, свет многих далеких звезд приглушен встретившейся ему на пути звездной пылью? — спросите вы. Но пыль не в состоянии полностью затмить звездный свет. В межзвездном пространстве действительно есть пыль, однако на практике она нагревается от света звезд и частично отражает его, так что общее количество света не меняется. Что касается ученых, впервые затронувших эту тему, среди них наиболее известен английский астроном Эдмунд Галлей (1656–1742), чье имя получила комета, но лавры человека, первым сформулировавшего парадокс ночного неба, достались немецкому астроному и физику Генриху Вильгельму Ольберсу (1758–1840): «Вселенная бесконечно огромна и вместе с тем бесконечно стара. Любые попытки ограничить ее во времени и пространстве слишком сковывают это Божье творение. Возможно, нам стоит пожертвовать одним или обоими этими допущениями — бесконечностью размеров и бесконечностью возраста, и тогда мы сможем разгадать тайну черноты ночного неба».

Мы, как и современная наука, придерживаемся теории, что Вселенная возникла 13–15 миллиардов лет назад в результате Большого взрыва (см. главу «Вселенная — это вам не сарай»). Образовавшись из одной-единственной точки, Вселенная расширялась, сперва очень стремительно, а потом медленнее. Она продолжает расширяться и по сей день, и «граница» ее сейчас пролегает примерно в 13–15 миллиардах световых лет от нас. Возможно, ночная темнота объясняется тем, что там, за этой границей, нет звезд, которые могли бы добавить ночному небу света, как если бы частокол деревьев, о которых я упоминал чуть раньше, кончался в двадцати километрах от нас, и нам были бы видны пробивающиеся с той стороны леса узкие полоски света.

Что ж, неплохая попытка объяснить ночную тьму, но один английский математик доказал, что даже при ограниченных размерах нашей Вселенной в ней и до предполагаемой границы вполне достаточно звезд, чтобы обеспечить нам еженощную яркую иллюминацию. Так что придется искать другое объяснение.

Идея о расширении Вселенной получила признание только к концу первой трети XX века. Попутно с этим ученые пришли еще к целому ряду выводов: например, что звезды, удаляющиеся от наблюдателя, кажутся менее яркими благодаря эффекту Доплера (см. главу «Нечестно по отношению к Бёйс-Баллоту?»). Как и в случае со сменой частоты звука, издаваемого движущимся источником, спектр света звезды изменяется в зависимости от скорости движения, а свет от удаляющейся звезды смещается в сторону красной части спектра. Глаза млекопитающих в ходе эволюции стали максимально чувствительны к диапазону цветов, образующих в совокупности белый свет, а при смещении звездного света в сторону красного некоторые из цветов спектра выпадают, поэтому свет кажется менее ярким. Так что одна из причин того, что ночное небо не такое светлое, как могло бы быть, возможно, связана с эффектом Доплера: быстро движущиеся звезды, которые вроде бы должны быть столь же яркими, что и расположенные ближе и движущиеся медленнее, на деле смотрятся значительно тусклее.

Пожалуй, одного этого объяснения хватило бы, если бы новые данные о Большом взрыве и расширении Вселенной не добавили к общей картине еще один фактор. Большой взрыв явно был очень ярким благодаря огромной энергии, которая, как мы знаем, была сосредоточена в одной точке. Так разве в ночном небе по сей день не должны быть видны следы того свечения? Как выяснилось, обнаружить световое «эхо» Большого взрыва (см. главу «Вселенная — это вам не сарай») действительно возможно, но, как и в случае со звездным светом, эффект Доплера, вызванный стремительным расширением Вселенной, изменил оттенок отсветов той давней вспышки, в результате чего световые волны оказались далеко за красной границей спектра: они теперь не видны глазом и фиксируются только как микроволновое излучение.

Обманчиво простой вопрос, сформулированный в 1823 году Генрихом Вильгельмом Ольберсом, за два прошедших столетия привел ученых, жаждавших найти ответ, к целой череде новых открытий, да таких, о которых Ольберс не мог и мечтать.