Двумерная поверхность Земли может быть искривлена в одну или в другую сторону; как выясняется, трехмерное пространство точно так же может иметь кривизну. Измерение этой кривизны может дать нам некоторое представление о том, как может быть сложено пространство. Если подобно Земле Вселенная имеет положительную общую кривизну, то она должна образовывать конечную форму. Если ее кривизна отрицательна, то она должна быть бесконечной. Если же Вселенная плоская, то она может быть бесконечной или конечной, подобно нашему кубическому миру, сомкнутому по противоположным граням.
Двумерные поверхности с положительной, отрицательной и нулевой кривизной
Чтобы определить общую кривизну пространства, мы можем исследовать свет, пересекающий его. Что мы видим? Пространство кажется почти что плоским, но трудно сказать, действительно ли оно совершенно плоское, или все-таки существует некая малая кривизна, изгибающая пространство. Различия кажутся такими малыми, что сказать, сможем ли мы когда-нибудь определить эту кривизну с точностью, достаточной, чтобы знать, как изгибается пространство, очень непросто.
Но истинное знание кривизны Вселенной затруднено еще и другим обстоятельством. По большей части наши исследования космоса основаны на предположении о том, что та точка Вселенной, в которой мы находимся, ничем особым не отличается. Эта гипотеза называется принципом Коперника. Когда-то мы считали, что находимся в центре мироздания. Но Коперник покончил с этой идеей. Так что теперь мы полагаем, что окружающая нас Вселенная выглядит приблизительно так же, как и в любом другом месте. Но это может быть и не так. Тот фрагмент Вселенной, который мы видим, вполне может оказаться совершенно особенным.
Представим себе, например, что наш земной путешественник живет на планете, имеющей форму полусферы: у нее совершенно плоское основание, но она неожиданно искривляется и образует половинку шара. Если деревня такого путешественника находится на плоской части, он будет считать, что и вся планета такая же плоская, пока вдруг не обнаружит резкое изменение кривизны. Вселенная может выглядеть таким же образом: она может быть плоской в нашей области, но иметь совершенно другую форму за пределами той части, которую мы можем видеть. Как мы можем быть уверены, что Вселенная столь однородна, как нам кажется?
Итак, вопрос о том, совершает ли свет кругосветные путешествия по конечной Вселенной подобно космической экспедиции Магеллана, все еще остается без ответа. Если это так, мы можем получить шанс узнать, конечна ли Вселенная. А может быть, она изогнута таким образом, что мы сможем выяснить, как именно Вселенная сложена. Конечно, Магеллан путешествовал по статичной планете. Как выяснилось, Вселенная обладает несколько большей динамичностью, чем мы предполагали, и открыл это обстоятельство Хаббл, космический Магеллан, когда он стал анализировать свет, доходящий до нас от звезд удаленных галактик.
8
Кружится звездный мир. И мы, блуждая в нем,
Порой зовем его «волшебным фонарем»:
Снаружи – сфера звезд,
внутри – светильник-солнце,
А мы – движение теней перед огнем.
Когда-то я мечтал, что смогу, глядя в ночное небо, уверенно показывать в нем всевозможные звезды и планеты: «Это вот Бетельгейзе» или «Видите вон там такую яркую точку? Это на самом деле не звезда, а планета Венера». Но у меня, к сожалению, чрезвычайно плохая память. Когда дело доходит до чего-то несистематического, вроде звезд, рассыпанных по небесному своду, мне трудно назвать что-нибудь кроме Большой Медведицы, не опираясь на какой-нибудь логический принцип. Разумеется, именно поэтому мы и создали фигуры вроде Большой Медведицы или Ориона – чтобы помочь нам ориентироваться в этих случайно разбросанных световых точках.
Оказывается, однако, что я и физически не очень подхожу для занятий астрономией. В качестве первой попытки поглубже заглянуть в космос я отправился в обсерваторию Милл Хилл на севере Лондона. Но моему желанию увидеть край Вселенной не позволил осуществиться вечный враг астрономов – облачность.
Тогда я решил подняться над облаками. Для этого пришлось отправиться несколько дальше Северной линии лондонского метро. Я доехал на поезде до Швейцарии и поднялся на красивейший альпийский перевал Юнгфрауйох. Лифт, устроенный в туннеле, пробитом в горе, поднял меня на вершину, на которой расположена обсерватория «Сфинкс», находящаяся на высоте 3571 м над уровнем моря.
Эта обсерватория, построенная в 1937 г., выглядит как логово какого-нибудь злодея из фильма про Джеймса Бонда. Глядя на солнце, заходящее над снегом и ледниками, я готовился провести изумительный вечер за созерцанием звезд. Но у моего организма были другие планы. Я уже чувствовал сильное головокружение и некоторую дурноту. Я почти не мог есть. Когда на небе начали появляться первые звезды, на меня напала сильнейшая головная боль. Вскоре после этого меня вырвало. Когда пожилая немецкая пара сказала мне, что у меня налицо все симптомы горной болезни кроме одного, я внезапно понял, что никогда раньше не бывал на такой высоте.
– А какого симптома не хватает?
– Смерти.
Тогда-то я и понял, что моя мечта о жизни астронома-любителя вряд ли того стоит. Первым же поездом я вернулся на безопасную высоту, и все симптомы пропали. Приходилось смириться с тем, что я – житель долины Темзы, уроженец Лондона, и мой организм создан для наблюдения звезд при помощи телескопов, находящихся на более комфортной высоте, поближе к уровню моря. Но именно наблюдения, произведенные на некоторых из самых крупных телескопов, установленных высоко в горах всего мира, позволили обнаружить удивительный факт. В некоторый момент в будущем звезд, которые можно наблюдать, станет меньше: они постепенно выходят за пределы нашего горизонта видимости!
Вид на Вселенную сквозь красные очки
Когда мимо вас проезжает машина «скорой помощи» с включенной сиреной, ваше ухо ощущает сжатие звуковых волн во время ее приближения: это приводит к уменьшению длины волны, и звук сирены кажется более высоким, чем после того, как машина проедет мимо вас. Звуковые волны удаляющейся сирены растягиваются, увеличивая длину волны и понижая тон звука. Это явление известно под названием эффекта Доплера.
То же происходит и со светом. Если звезда удаляется от нас, испускаемый ею свет сдвигается в сторону больших длин волн и краснеет. Если же она движется к нам, свет сдвигается в сторону более коротких волн и становится синее. Уже выяснив, что наша Галактика – не единственная, а одна из многих, Эдвин Хаббл занялся в 1929 г. анализом света, приходящего из других галактик, чтобы узнать, как они движутся относительно нашей. К его удивлению, свет, приходящий от отдаленных звезд наблюдаемых им галактик, был неизменно сдвинут в красную часть спектра. Казалось, что к нам ничто не приближается. Другие галактики, по-видимому, разбегались от нас. Еще интереснее было то обстоятельство, что чем дальше от Солнца находилась та или иная звезда, тем большим был сдвиг ее длин волн. Хаббл не мог поверить, что Земля занимает во Вселенной такое особенное место. Он понял, что существует значительно лучшее объяснение: пространство расширяется одновременно во все стороны. Где бы ни находилась точка наблюдения, из нее всегда будет казаться, что от нее все удаляется. Пространство между нами и звездами растягивается. Галактики разлетаются под действием этого расширения пространства как листья на ветру.
