Оказывается, нечто подобное происходит и со светом. Свету быстро приближающегося к нам источника свойственна более высокая частота, а быстро удаляющегося – более низкая. В случае со световой волной частота определяет цвет, поэтому такой сдвиг воспринимается как изменение цвета. Электромагнитный спектр простирается далеко за пределы видимого, но что касается света, доплеровский сдвиг в сторону более высоких частот называется синим смещением, а сдвиг в сторону более низких частот – красным смещением. При сильном синем смещении видимый свет может восприниматься как гамма-излучение, а при сильном красном смещении – как радиосигнал. Этот феномен является одним из наиболее важных и универсальных инструментов в астрономии, поскольку позволяет нам по одному лишь цвету звезды или галактики определить, приближается она к нам или удаляется.
Разумеется, на практике все немного сложнее. Некоторым звездам и галактикам просто свойствен красноватый цвет. Как же в таком случае понять, является ли какой-то объект красным на самом деле или просто кажется таковым, поскольку удаляется от нас?
[28] Ключ в том, что свет представляет собой не одиночную волну с определенными характеристиками, а поток волн разных частот – спектр. Набор спектральных линий в спектре звезды обусловлен светом, поглощаемым или испускаемым различными химическими элементами в составе ее атмосферы. При разложении света с помощью призмы мы видим спектр цветов разной интенсивности, при этом темные линии или промежутки появляются на тех частотах, которые соответствуют свету, поглощенному атомами, содержащимися в атмосфере звезды, из-за чего этому свету так и не удалось достичь нас. В результате мы имеем своеобразный, уникальный для каждого элемента штрихкод из набора линий, который астрономы могут легко распознать. Например, при разложении проходящего сквозь облако водорода света по длинам волн мы увидим характерный гребнеобразный рисунок темных линий. В ходе лабораторных испытаний мы можем выяснить, где именно должны находиться эти линии и каким должен быть их рисунок для того или иного элемента. Если звезда имеет в своем спектре узнаваемую последовательность линий, но располагается она на «неправильных» частотах, это говорит о смещении спектра звезды вследствие ее движения. Если все линии одинаково смещены в сторону более низких частот, то мы имеем дело с красным смещением, которое свидетельствует об удалении звезды. Если каждая линия сдвинута в сторону более высоких частот, речь идет о синем смещении, говорящем о том, что звезда приближается. При этом степень смещения линий позволяет определить скорость движения звезды.
Астрономы достигли больших успехов в проведении подобных измерений. В настоящее время красное и синее смещение представляет собой одну из самых легко измеряемых характеристик любого источника света во Вселенной, при условии, что спектр снят и в нем присутствуют узнаваемые наборы линий. Благодаря этому мы можем понять, как звезды в нашей галактике движутся относительно нас, а также обнаружить небольшое колебание звезды, вызванное вращающейся вокруг нее планетой.
В случае с далекими галактиками красное смещение позволяет нам выяснить не только то, приближаются они к нам или удаляются, и с какой скоростью, но и определить расстояние до них. Каким образом? Дело в том, что вследствие расширения Вселенной пространство между нами и далекой галактикой увеличивается, поэтому, как бы она ни двигалась относительно нас, в целом она будет удаляться. И скорость ее удаления зависит от того, насколько далеко она находится сейчас.
В 1929 году в ходе изучения красного смещения галактик астроном Эдвин Хаббл заметил поразительную закономерность. Более далеким галактикам в среднем свойственны более высокие показатели красного смещения. Эта закономерность позволила нам подтвердить гипотезу о расширении космоса и получить представление об этапах его эволюции. Обнаруженная Хабблом взаимосвязь между показателем красного смещения и скоростью говорит о том, что чем дальше находится галактика, тем быстрее она от нас удаляется.
Представьте, что вы берете в руки игрушку-пружинку «слинки» и растягиваете ее. (Просто растягиваете. Это для науки.) По мере разведения рук в стороны каждый виток пружинки удаляется от соседнего лишь на ширину пальца, при этом два витка на противоположных ее концах удаляются друг от друга более чем на метр. Если пространство расширяется равномерно во всех направлениях, подобные закономерности должны действовать и в космосе, что и обнаружил Хаббл в ходе своих наблюдений. Математически это выражается в виде простого правила: кажущаяся скорость удаления галактики прямо пропорциональна расстоянию до нее. Из этого следует, во-первых, что более отдаленные объекты удаляются от нас быстрее. Во-вторых, существует некоторое число, на которое можно умножить расстояние до любой галактики, чтобы выяснить ее скорость. Несмотря на то что именно Хаббл в итоге доказал существование этой закономерности и вычислил приблизительное значение данного коэффициента, сама закономерность была описана теоретически на несколько лет раньше бельгийским астрономом и священником Жоржем Леметром. Поэтому данное отношение стало называться законом Хаббла – Леметра
[29].
А коэффициент пропорциональности (число, на которое мы умножаем расстояние) – постоянной Хаббла.
Самой важной для нас в данном случае является связь между красным смещением и расстоянием. Она означает, что на основании измерения красного смещения далекой галактики мы можем точно определить расстояние до нее. (С некоторыми техническими оговорками
[30].)
Однако красное смещение также связано с космическим временем. Расширение Вселенной многое в астрономии делает весьма странным, и одна из таких вещей заключается в использовании цвета, записанного в виде числа, для обозначения скорости, расстояния и «возраста, в котором находилась Вселенная в то время, когда данный объект испустил свет». Физика – безумная наука.
