Пять нерешенных проблем науки - Артур Уиггинс

Рис. 6.1. Измерение расстояния на основе параллакса

Данный способ измерения расстояния служит основой при определении чаще всего используемой в астрономии единицы — парсека (пк). Звезда, угол параллакса которой после шестимесячного промежутка времени составляет 1 с (60 с в 1 мин, 60 мин в 1°, 360° во всей окружности), считается удаленной на один парсек. Наша ближайшая звезда Альфа Центавра (в действительности система из трех звезд) находится на расстоянии чуть больше одного парсека. Если отправиться к Альфе Центавра со скоростью звука, путешествие займет свыше миллиона лет. Даже свету с его сумасшедшей скоростью потребуется на это более четырех лет.

В пределах 10 пк от Земли находится немногим более 300 звезд, так что мы можем определить расстояние до этих ближайших соседей посредством параллакса. Поскольку с удалением звезд уменьшается и угол параллакса, предел для измерений наступает примерно при 1 00 пк, когда возможно получение приемлемых результатов. Таким образом, звезды и галактики на расстоянии тысячи парсек (килопарсек, кпк) или миллионов парсек (мегапарсек, Мпк) оказываются слишком далекими, чтобы измерить расстояние до них посредством параллакса. Для решения данной задачи разработаны другие способы, которые мы изучим позднее.

Галактики: первые теории и наблюдения

Теперь посмотрим, как астрономия пришла к пониманию галактик. Слово галактика греческое и означает «млечный путь». Шведский философ Эмануэль Сведенборг пришел к заключению, что все звезды образуют большое сообщество, где Солнечная система — лишь его часть. В книге Principia Rerum Naturalium (1734) он предположил, что Солнечная система, состоящая из светила и планет, образовалась из быстро вращающейся туманности. При этом Сведенборг не руководствовался никакими научными наблюдениями, хотя и изучал точные науки. Данные сведения он почерпнул в ходе спиритического сеанса, где якобы присутствовали небесные посланники. Дальнейшие видения побудили Сведенборга предать огласке полученные им сведения богословского свойства, и в итоге из его учения вышла религия [сведенборгиан] «Новая церковь» [именуемая еще «Новым Иерусалимом»].

Историю галактик продолжил англичанин Томас Райт из Дарема, занимавшийся изготовлением научных орудий и игрушечных солнечных систем, которые продавал вельможам. В книге «Оригинальная теория, или Новая гипотеза о Вселенной, основанная на законах природы и объясняющая с помощью математических принципов наиболее важные явления видимого мироздания, в частности Млечного Пути» (1750) Райт высказывает мысль, что звезды в Млечном Пути распределены в виде жернова. Он говорил: «Глядя всякий раз на небо, никак не могу взять в толк, почему все не идут в астрономы». Как изготовитель научных орудий, он наверняка имел доступ к телескопам. Однако никаких астрономических наблюдений он не издавал. Книга Райта тоже затрагивает религиозные вопросы, например о физическом местонахождении божественного престола.

Заметка о книге Райта в гамбургском журнале попала на глаза блестящему философу Иммануилу Канту. И хотя Кант неверно истолковал сообщение о работе Райта, ему удалось направить ее в созидательное русло. В 1755 году Кант предполагает, что Млечный Путь представляет собой линзовидный диск из звезд, вращающийся вокруг своей оси. Затем он утверждает, что размытые световые пятна, именуемые туманностями, на самом деле представляют собой системы звезд, подобные Млечному Пути, но находящиеся на большом удалении. Кант именует их островными вселенными.[21] В ту пору не было средств, чтобы прикинуть расстояние до этих туманностей. Даже с помощью Бесселева метода параллакса, разработанного почти столетие спустя, не справиться с такой задачей.

Итак, начало изучению астрономией галактик положили богословски настроенный мастеровой и философ. Следующий важный вклад в понимание галактик суждено было внести ученому-наблюдателю. Любопытно, что его не занимали сами галактики; он составил перечень объектов, которых следовало избегать при поиске комет. Шарль Мессье (1730–1817) был столь заядлым охотником за кометами, что король Людовик XV прозвал его «кометной ищейкой». За всю жизнь Мессье открыл один или одновременно с кем-то 20 комет и наблюдал еще 24. Он часто находил неподвижные объекты, которые не могли быть кометами. Небольшими телескопами, которыми пользовался Мессье — в поперечнике они не превышали трех с половиной дюймов, — невозможно было различить в туманностях отдельные звезды. Наблюдаемые им «туманности» представлялись световыми пятнышками неведомого происхождения. Он составил перечень координат свыше 100 туманностей, снабдив их числами. Например, М31 ныне известна как туманность Андромеды, а М100 (рис. 6.2) — как Спиральная галактика.

Мессье писал: «К составлению каталога меня подтолкнула туманность I [ныне это Крабовидная туманность], открытая мной повыше верхнего рога Тельца 12 сентября 1758 года в ходе наблюдения за кометой того года. Данная туманность так походила на комету своим видом и светимостью, что я решил отыскать и иные туманности, с тем чтобы астрономы более не путали их с кометами». Мессье вызвал недовольство многих астрономов, посвятив комету 1769 года французскому императору Наполеону Бонапарту и истолковав ее как астрологическое знамение рождения Наполеона.

Рис. 6.2. Снимки галактики М100 с космического телескопа Хаббла

В начале 1900-х годов наблюдательная астрономия переживала расцвет. Удалось наблюдать сотни тысяч небесных тел. Благодаря щедрости богатых покровителей и неустанным усилиям ряда женщин-астрономов (см. главку «Чем крупнее телескопы, тем больше расстояния до звезд», с. 189–193) были составлены каталоги небесных тел с указанием их местонахождения, светимости и некоторых спектральных характеристик. Но расстояния были известны лишь для нескольких сотен ближайших звезд, а подробное строение туманностей и их удаленность от нас оставались неведомыми. Наблюдатели ушли далеко вперед, теоретикам лишь предстояло совершить прорыв.

Космологический вклад Эйнштейна

Вклад, значительно способствовавший теоретическому осмыслению природы туманностей, поступил в астрономию из Швейцарии. Марсель Гроссман был одним из выпускников швейцарской Высшей технической школы (Политехникума) в Цюрихе. В его группе готовили учителей математики и физики.

Один из приятелей Гроссмана не любил занятий и особенно царивших тогда в учебных заведениях строгих порядков, но ему удалось закончить учебу благодаря тому, что Гроссман перед экзаменами снабжал его своими записями лекций. Гроссмана и двух других однокашников оставили при Политехникуме, а их приятелю, не любившему занятий, пришлось довольствоваться временным местом учителя. В 1901 году он писал Гроссману: «Я оставил всякую мысль о поступлении в университет». Наконец, отец Гроссмана рекомендовал его приятеля начальнику патентного бюро в Берне, и в 1902 году тот получил работу технического эксперта третьего класса в Бернском патентном бюро.[22] Следующие семь лет, трудясь на должности патентного эксперта, приятель Гроссмана проявил незаурядную творческую жилку, опубликовал несколько научных статей и получил докторскую степень в Цюрихском университете. Свою диссертацию, озаглавленную «Новое определение размеров молекул», он посвятил Марселю Гроссману. На рис. 6.3 представлен сделанный примерно в 1900 году снимок (слева направо) Марселя Гроссмана, его приятеля, Густава Гайсслера и брата Марселя Геральда.

Приятелем и однокашником Марселя Гроссмана в Политехникуме был не кто иной, как Альберт Эйнштейн. Хотя Гроссман стал известным математиком, он не мог тягаться славой со своим приятелем. И все же вскоре Эйнштейну вновь понадобилась помощь Гроссмана.

Рис. 6.3. Марсель Гроссман, Альберт Эйнштейн, Густав Гисслер и Геральд Гроссман

Работа в патентном бюро нравилась Эйнштейну, но его интересы были гораздо шире. Со своими друзьями, философом Морисом Соловиным и математиком Конрадом Габихтом Эйнштейн создал кружок, шутливо прозванный ими «Академия Олимпия». Проходившие там беседы имели огромное значение для Эйнштейна. Но еще большее влияние на него оказал Микеланджело Бессо. Эйнштейн пристроил его в 1904 году в патентное бюро, так что в течение нескольких лет они ежедневно вместе ходили на работу. Эйнштейн называл Бессо лучшим в Европе резонатором научных идей, а их у Эйнштейна было предостаточно.

1905 год один из историков назвал эйнштейновским годом чудес. В тот год авторитетный журнал Annalen der Physik und Chemie опубликовал пять его статей, затрагивающих такие вопросы, как фотоэлектрический эффект, новый способ определения размера молекул, броуновское движение, специальная относительность и эквивалентность массы и энергии (более подробно см.: Список идей, 15. Труды Эйнштейна: помимо теории относительности). В статье об относительности Эйнштейн объединил ньютонову механику с максвелловым электромагнетизмом и рассмотрел последствия замены представления об абсолютном характере времени и пространстве законом постоянства скорости света.