Кто открыл расширение Вселенной: Хаббл или Леметр
Обнаружение расширения Вселенной стало действительно прорывным открытием, которое даже сумели подтвердить экспериментально. И благодарить за это стоит Эдвина Хаббла! Или нет?
Эйнштейн махнул рукой
Вы можете совершенно не разбираться в физике, но все равно должны были слышать об Альберте Эйнштейне и его общей теории относительности. Если говорить самым простым языком, то в центре теории находится принцип «относительности». То есть, все природные законы остаются одинаковыми относительно статичного или перемещающегося с неизменной скоростью тела.
Эта теория позволила избавиться от проблем в физике XX века, спрогнозировала существование черных дыр, показала, что световые лучи искривляются возле массивных тел, а также позволила совершенно по-новому взглянуть на пространство-время и подтолкнула ученых к новым важным открытиям.
Но в 1917 году Эйнштейн стал догадываться, что его теория предлагает два варианта для Вселенной: сжатие или расширение. Возможно, ученый был просто не готов развивать столь глобальную тему или не поверил в выводы собственных уравнений, но решил аккуратно обойти эту проблему. По сути, он создал искусственную космологическую постоянную. Впоследствии, Эйнштейн назовет этот поступок крупнейшей ошибкой.
Эдвин Хаббл и разбегающиеся галактики
Графическое представление сингулярности Вселенной
Многие прорывные открытия возникают в качестве суммирования и доказывания уже известных теорий или предположений. Можно сказать, что Эдвин Хаббл не придумал что-то с нуля, а внимательно изучил и объединил различные известные показатели. Например, богатую научную базу удалось получить от Генриетты Левитт, изучавшей переменные звезды – цефеиды.
Слайфер и Хьюмасон сумели измерить показатель красного смещения для галактик (сдвиг спектральных линий в красную сторону). Внимательность Хаббла позволила зафиксировать связь, а если говорить точнее, то зависимость, между дистанциями к объектам и значением красного смещения. Эта тенденция просматривалась для 46 галактик.
Таким образом, удалось вычислить постоянную Хабба (из-за ранних ошибок это значение намного выше современного) и закон Хаббла – Вселенная расширяется, а галактики разбегаются. Это произошло в 1929 году. Эти выводы подкрепляли уравнения Эйнштейна и вписывались в общую теорию относительности, поэтому были приняты научным сообществом и закрепились за Хабблом. Но стоит ли считать его первым?
Вклад Жоржа Леметра
Перед нами весьма необычный человек, так как был не только математиком и астрономом, но и священником. Можно сказать, что это один из первопроходцев в применении общей теории относительности. В 1927 году вышла его статья, где были представлены расчеты, приближенные к «постоянной Хаббла», появившейся лишь спустя 2 года.
Кроме того, Леметр был первым, кто четко утверждал, что далекие объекты представлены не звездами, а целыми системами, хотя слово «галактика» пока не употреблялось, но автор подразумевал именно его. Однако интересно, что в своих расчетах Леметр все же использовал данные Хаббла, с которым успел познакомиться еще в 1926 году.
Леметр был знаком с Альбертом Эйнштейном, поэтому последний читал его работу. Напомним, что еще в 1922 году советский математик А. Фридман предсказал вселенское расширение. Эйнштейн также читал эту работу и раскритиковал (он все еще не верил). При первом ознакомлении он повторил это и со статьей Леметра, но в более легкой форме.
Почему Хаббл, а не Леметр?
Если Леметр на 2 года опередил Хаббла, то почему большая часть почестей досталась второму? В некоторых источниках ссылаются на скромность Леметра, который не хотел добиваться справедливости и что-то доказывать. Но все не совсем так.
Начнем с фактора географии. Распространение работы Леметра и известность о нем касались только Европы. Его статью не переводили на другие языки и говорят, что сначала она затерялась и не произвела особого впечатления. То есть, он не обзавелся внушительной базой исследователей, которые бы распространили эту идею.
Хаббл жил в США, писал на английском и довольно быстро обзавелся сторонникам. Важно отметить, что Эйнштейн вспомнил о работе Леметра уже после ознакомления с доказательной базой Хаббла и начал активно продвигать первую статью (Леметра), так как наконец-то поверил в правдивость выводов.
Постскриптум
Всегда сложно определить первенство в научной среде. Многие ученые долгие годы работают, выдвигают теории и находят новые данные. Затем появляется тот, кому удается сделать прорыв за счет суммирования и доказательной базы. Большинство экспертов считают, что в конкретном случае Леметр был одним из тех, кто догадывался о расширении, но доказать его сумел именно Хаббл.
Однако в новостях все чаще поговаривают о необходимости переименовать закон. И это не просто слухи, а предварительное решение Международного астрономического союза. Возможно, в скором будущем появится закон Хаббла-Леметра. Суть не меняется, но это дань работе ученых. Но может тогда следует добавить еще и Фридмана?
Источник
Теория расширения Вселенной и законы Хаббла
Об американском астрономе Эдвине Хаббле (1889—1953) слышали абсолютно все: его именем назван телескоп, летающий в космосе и передающий прямо оттуда фото разнообразных космических объектов и разноцветных причудливых туманностей. Однако мало кому известно, почему телескоп получил фамилию именно этого ученого, а ведь Хаббл и был тем кто открыт другие галактики (помимо нашего Млечного Пути) и высказал догадку о расширении Вселенной.
В начале 1920-х Хаббл работал в калифорнийской обсерватории Маунт-Вильсон расположенной почти на двухкилометровом возвышении и оборудованной мощным телескопом с 2.5-метровым зеркальным объективом. Разглядывая три разные туманности — Андромеды. Треугольника и Барнарда — молодой ученый высмотрел там отдельные звездочки и пришел к ошеломительному заключению: эти облака — не просто аморфные скопления газа и пыли, а целые галактики, подобные Млечному Пути! Ориентируясь на звезды, систематически меняющие яркость. Хаббл сумел определить расстояние до найденных галактик и заключить что они больше Млечного Пути. Данное открытие сразу же принесло Хабблу известность и уважение в научных кругах, а потом он сделал еще одно— и прославился на весь мир. Речь идет о законе, также названном в его честь — законе красного смешения.
В 1914 г. соотечественник Хаббла, Весто Слайфер, обнаружил, что в спектрах излучений галактик часто происходят сдвиги темных полос, демонстрирующих поглощение той или иной электромагнитной волны какими-либо химическими элементами. Сдвиг в сторону красных волн получил название красного смещения, а сдвиг в фиолетовую сторону был назван синим смещением. Слайфер определил степень смешения для разных галактик, а Хаббл вычислил расстояния до них и сравнил свои данные с данными коллеги. Все говорило о том что смешение напрямую зависит от отдаленности галактики: чем дальше она от Земли, тем больше черных линий концентрируется в красном поле спектра.
Вместе с тем Хаббл предположил, что с расстоянием скорость отдаления галактик повышается, а значит, линии в спектре должны смещаться еще больше. Ученый даже нашел формулу для вычисления скорости «убегания»: нужно умножить расстояние до галактики и дистанцию, на которую за секунду разойдутся две галактики, оказавшиеся за парсек (3×1019 км) одна от другой. (Вторая величина была названа постоянной Хаббла.)
Правда, сам ученый рассчитал эту постоянную неверно (у него вышло 500 км с Мпк, тогда как в действительности данный показатель равен всего 70). поскольку не учел важный момент: галактики двигаются не только в направлении расширяющейся Вселенной — не только убегают одна от другой, но и притягиваются силами гравитации. И смещение в их спектре складывается из этих двух смещений. Если галактики находятся относительно близко одна к другой, сила притяжения между ними перевешивает силу отталкивания, и соседки движутся навстречу — линии в их спектре сдвигаются в фиолетовую сторону. Между тем. если бы мы применили к ним формулу Хаббла, то вышло бы, что галактики отдаляются. А отдаляться они могут лишь при условии достаточно больших расстояний между ними, на которых гравитация значительно слабее сил расширения. Если принимать это во внимание, закон Хаббла вполне справедлив.
Как только Хаббл поделился своими мыслями с коллегами, один из них. Милтон Хьюмасон принялся исследовать известные туманности, открывая одну галактику за другой. Труд калифорнийских ученых был оценен по достоинству, хотя далеко не все осознавали его истинное значение. По сути ведь закон Хаббла доказывал теорию Большого взрыва, которую разработали бельгиец Жорж Леметр и россиянин Александр Фридман, и отображал свойство пространства двигаться и расширяться. (К слову, еще Атьберт Эйнштейн в рамках своей теории относительности высказал догадку о расширении и сжатии Вселенной, однако радикальность этой идеи напугала ученого, и он ввел искусственную константу, которая в расчетах сделала пространство статичным.) С помощью закона Хаббла астрофизики и поныне вычисляют длину пути до разных галактик, и на его основе было открыто космологическое красное смещение.
К 40-м годам XX в. ученые уже выяснили, что во Вселенной постоянно происходит распад и синтез атомных ядер, в ходе чего одни элементы превращаются в другие и выделяют мощные потоки энергии. Также астрофизикам было известно, что вещество, из которого состоят звезды и межзвездная среда, содержит Уз водорода и Уз гелия и что ядра «построены» из нейтронов и протонов. На основе этих знаний были придуманы две версии развития Вселенной, различающиеся исходной пропорцией элементов межзвездного вещества и его температурой. Объединяла же обе версии идея равновесия: якобы все элементы вещества постепенно подстроились одно к другому так чтобы испускать и принимать одинаковое количество энергии, благодаря чему температура всех частиц выровнялась и обеспечила излучению стабильную плотность.
Еще в 1930-х родилась гипотеза холодной Веселенной: авторы данной версии полагали, будто сразу после рождения космическое пространство состояло из холодных частиц — нейтронов. Это. однако, не совпадало с опытными данными: свободные нейтроны очень быстро трансформируются в антинейтрино, электроны и протоны: последние, сталкиваясь с выжившими нейтронами, превращаются в разновидность водорода — дейтерий, а тот соединяется с собратом тритием и образует гелий. Но дальше процесс не идет, следовательно, если бы эта версия была верна, то вся Вселенная оказалась бы сплошь заполнена гелием. Нужно было придумать что-то другое, и ученые выдвинули противоположную гипотезу— горячей Вселенной. Тут уже слияние атомных ядер происходило в горячем веществе, правда, благодаря Хабблу Вселенная считалась ровесницей Солнечной системы, потому на подготовку исходного материала ученые не выделили времени. И то. что вся материя сформировалась в первые же секунды существования Вселенной, приняли как факт.
Уже в 40-х. осознав масштабы космоса, астрофизики «состарили» Вселенную по меньшей мере втрое, а такой почтенный возраст предполагал размеренный процесс «сборки» разных химических элементов внутри и на поверхности звезд. Однако гелия в космическом пространстве ровно треть, а это больше, чем могут произвести светила. Откуда же он взялся? В 1948 г. на этот вопрос попытался ответить русский физик Георгий Гамов с коллегами Робертом Херманом и Ральфом Альфером. Согласно их теории, в первую же долю секунды после рождения Вселенной ее вещество, состоявшее из разрозненных частиц и раскаленное до 30 лорд градусов, беспрерывно излучало фотоны (порции энергии). Благодаря очень высокой плотности они сталкивались и создавали пары заряженных частиц, те при столкновениях образовывали нейтральные частицы и выпускали опять-таки фотоны, а протоны и нейтроны при стычках с фотонами «менялись телами». Создавать цельные ядра они не могли, поскольку выплески энергии попросту разбивали бы их. Но по мере расширения Вселенной ее температура падала, частицы вели себя спокойнее, и протоны с нейтронами получали возможность объединяться в дейтерий, а из него уже образовывался гелий. Минут за пять синтезировалась та самая треть гелия, а все остальное пространство занял водород, построенный незадействованными протонами. Вселенная продолжила остывать, но на память ей осталась часть первородного горячего излучения.
Позже был представлен еще один вариант «холодной» теории, предусматривавший на старте холодную смесь электронов, протонов и нейтрино, образовавших водород, который уже в составе звезд превратился в гелий. Чтобы выяснить, какова из представленных версий ближе всего к истине, астрофизикам следовало поискать предсказанное Гамовым первородное (реликтовое) излучение. И в 1960-х его нашли, причем абсолютно случайно!
Источник
Человек, который расширил границы Вселенной
Имя Хаббла на слуху благодаря одноименному космическому телескопу, который посылает на Землю весьма эффектные картинки галактик, звезд и туманностей. Возможно, кто-то еще вспомнит и «закон Хаббла», но наверняка даже не все читатели научных новостей представляют, какой переворот в понимании окружающего нас мира совершил этот американский астроном.
Достаточно сказать, что до его исследований известный нам мир ограничивался всего лишь одной галактикой — нашим собственным Млечным Путем, и именно Хаббл сумел убедительно продемонстрировать существование иных «звездных материков».
Эдвин Пауэлл Хаббл родился 20 ноября 1889 года в небольшом городке Маршфилд (штат Миссури) в семье страхового агента Джона Пауэлла Хаббла и его супруги Виржинии Ли Джеймс. Он был третьим ребенком в довольно набожной и преуспевающей семье, а всего у них было восемь детей. Хабблы довольно часто меняли место жительства, так как здоровье отца было не очень крепким.
Астрономией Эдвин заинтересовался в достаточно юном возрасте. Причиной этому, вероятно, стало не только чтение романов Жюля Верна, но и увлечение его деда по материнской линии Уильяма Гендерсона Джеймса, который изготовил небольшой телескоп, буквально завороживший его внука. Впрочем, среди соучеников Хаббл славился не столько своими знаниями точных наук (хотя с отметками у него всё было в полном порядке), сколько спортивными достижениями: стабильно выигрывал соревнования по легкой атлетике, прыжкам в высоту, занимался любительским боксом, американским футболом и т. д.
После школы (которую будущий астроном закончил в 1906 году) Эдвин сумел получить стипендию и поступить в престижный тогда Чикагский университет, где его пути пересеклись с Форестом Реем Моултоном, автором популярной теории происхождения Солнечной системы. Именно ему Хаббл обязан окончательным выбором своей профессии. После завершения учебы в университете и получения стипендии Родса Хабблу пришлось на какое-то время заняться юриспруденцией и на три года уехать в Англию в Оксфорд, однако после возвращения в Чикагский университет в 1913 году Хаббл вернулся одновременно и к астрономии. Некоторые из приобретенных в те времена типично британских манер (в том числе и манеры одеваться) остались с ним на всю жизнь и иногда заметно раздражали американских коллег Хаббла.
Свою диссертацию будущий великий астроном готовил под руководством директора Йеркской обсерватории Эдвина Бранта Фроста. С 1919 года (после перерыва, связанного с первой мировой войной, на которую Хаббл ушел добровольцем, но так и не успел принять участия в реальных боях) он был принят в штат Обсерватории Маунт Вильсон ( на горе Вильсон (высота 1742 м) в Калифорнии. Туда его пригласил директор этой обсерватории знаменитый организатор науки Джордж Эллери Хейл. Обсерватория тогда как раз получила крупнейший на тот момент 100-дюймовый (2,5 м) телескоп-рефлектор, что позволило ей сыграть одну из ключевых ролей в развитии астрономической картины мира. Рефлектором называют телескоп, использующий для сбора световых лучей параболическое зеркало. Сотрудником Обсерватории Маунт Вильсон Хаббл оставался до самой своей смерти.
В 1923 году в результате наблюдений туманности Андромеды, туманности NGC 6822 и туманности в Треугольнике Хаббл пришел к выводу, что все они представляют собой отдельные удаленные звездные системы, не принадлежащие Млечному Пути (в отличие от небольших туманностей иного сорта — остатков погибших звезд в нашей собственной галактике). Хабблу удалось различить в этих галактиках отдельные звезды (которые ранее сливались в одну неразрешимую туманность), что и подтвердило эту догадку (которая, конечно, высказывалась задолго до него).
Открытие цефеид в этих туманностях (переменных звезд со строго периодическими колебаниями блеска) позволило получить достоверную оценку расстояний. Известный американский астроном Джоуэл Стеббинс по этому поводу писал, что доклад Хаббла «во сто крат расширил объем материального мира и с определенностью решил долгий спор о природе спиралей, доказав, что это гигантские совокупности звезд, почти сравнимые по размерам с нашей собственной Галактикой». Разумеется, масштабы открытия оказались еще значительнее, а наша Галактика — далеко не самой крупной… Уже один этот эпизод внес бы имя Эдвина Хаббла в число самых выдающихся ученых всех времен и народов, однако затем последовало еще одно ключевое для астрономии и космологии достижение, совершенное американским астрономом — открытие закона красного смещения.
В 1929 году Хаббл обнаружил прямую зависимость между красным смещением в спектре каждой из 46 обследованных им галактик с расстоянием до них. Ему иногда неправильно приписывают открытие самого этого смещения характерных спектральных линий в спектрах галактик (свидетельствующих о быстром удалении от нас), но всё это уже наблюдалось ранее (в 1912–1914 годах) американским астрономом Весто Мелвином Слайфером, чьи данные Хаббл тоже использовал. Сам же Хаббл лишь установил следубщую зависимость: красное смещение для далеких галактик больше, чем для близких, и возрастает приблизительно пропорционально расстоянию.
Закон Хаббла гласит: скорость разбегания равна расстоянию, умноженному на некую постоянную Хаббла (v = Н r, где Н — коэффициент пропорциональности, v — скорость и r — расстояние). Значение этой постоянной Хаббл правильно определить в то время не смог — в силу того, что серьезно ошибался в оценках расстояния до галактик (дистанцию нельзя определить непосредственным образом, все оценки носят модельно зависимый характер, зависят в том числе и от параметров космологической модели). Его значение в 500 км/сек/Мпк к настоящему времени снизилось до порядка 50 км/сек/Мпк (хаббловский возраст Вселенной — 1/H = 2 миллиарда лет — вызвал почти немедленную критику).
Более того, проводимые Хабблом измерения оказались не только неточными, но и по сути не имеющими отношения к космологическому красному смещению, ведь расширение Вселенной начинает сказываться на гораздо больших расстояниях. Но более поздние наблюдения и исследования показали, что сам закон Хаббла действительно реален.
Очень быстро открытие Хаббла стало практически общепризнанным, хотя его смысл долго ускользал от понимания многих ученых. На самом деле «закон Хаббла» стал первым наблюдаемым свидетельством в пользу теории Большого взрыва, предложенной бельгийским астрономом и математиком Жоржем Леметром в 1927 году как развитие идей советского ученого Александра Фридмана . Значение открытия Хаббла высоко оценил Альберт Эйнштейн, который писал: «Новые наблюдения Хаббла и Хьюмасона относительно красного смещения… делают вероятным предположение, что общая структура Вселенной не стационарная». (Здесь нужно пояснить, что к 1936 году коллега Хаббла по обсерватории Милтон Хьюмасон опубликовал данные уже для ста туманностей.)
Еще в 1917 году при создании своей знаменитой Общей теории относительности Эйнштейн заметил, что Вселенная может неограниченно расширяться или сжиматься, однако здравый смысл вынудил его ввести довольно искусственным путем так называемую космологическую постоянную, призванную обеспечить стационарность Вселенной. По некоторым свидетельствам, именно новость об открытии Хаббла заставила его признать это вмешательство в уравнение «самым большим промахом в своей жизни».
В настоящее время закон Хаббла используется для определения расстояний до далеких галактик и квазаров. Часто космологическое красное смещение связывают с эффектом Доплера. Однако его суть в другом — дело в расширении самого пространства согласно Общей теории относительности. Есть, впрочем, и вклад реального доплеровского эффекта, но он отвечает за собственные взаимные движения галактик (пекулярные). Лишь на больших расстояниях вклад космологического красного смещения становится однозначно преобладающим.
Казалось бы, хотя бы за одно из своих величайших открытий Хаббл должен был получить Нобелевскую премию по физике, однако в то время астрономия еще не считалась органичной частью физики. Лишь после его смерти ситуация изменилась, Нобелевский комитет признал, что работы по астрофизике могут иметь право на получение приза, и если бы Эдвин Хаббл прожил чуть подольше, он, несомненно, вошел бы в историю как первый астроном, удостоенный «нобелевки». К сожалению, 28 сентября 1953 года Хаббла уже не стало. Он умер в Сан-Марино (Калифорния) от тромбоза сосудов головного мозга.
Никому даже не известно, где Хаббл похоронен, ибо такова была воля его жены. Не было ни панихиды, ни церемонии погребения. Вообще, есть некая тайна в том, что произошло, и, вероятно, коллега Хаббла Милтон Хьюмасон — это единственный человек, который когда-либо знал об этом что-либо достоверное. Но жена Хаббла — Грейс — не желала огласки по поводу случившегося. На Земле нет памятников Хабблу, однако они есть в космосе: это космический телескоп имени Хаббла, астероид 2069, названный его именем, кратер на Луне и т. д.
Безусловно, Эдвин Хаббл — один из величайших в истории астрономов-наблюдателей. Конечно, при этом ему очень «повезло» с доступом к крупнейшим телескопам своего времени. Работы Хаббла по туманностям позволяют считать его продолжателем дела основоположника звездной астрономии Уильяма Гершеля. А по мнению ряда историков науки, имя Хаббла можно смело поставить и в один ряд с величайшим преобразователем астрономии Николаем Коперником. Ведь оба они совершили революционные перевороты в наших представлениях о Вселенной, которые не забудутся теперь уже никогда.
Добавьте «Правду.Ру» в свои источники в Яндекс.Новости или News.Google, либо Яндекс.Дзен
Быстрые новости в Telegram-канале Правды.Ру. Не забудьте подписаться, чтоб быть в курсе событий.
Источник