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
Расширение Вселенной: как его открывали
В 1870 году английский математик Уильям Клиффорд пришел к очень глубокой мысли, что пространство может быть искривлено, причем неодинаково в разных точках, и что со временем его кривизна может изменяться. Он даже допускал, что такие изменения как-то связаны с движением материи. Обе эти идеи спустя много лет легли в основу общей теории относительности. Сам Клиффорд до этого не дожил — он умер от туберкулеза в возрасте 34 лет за 11 дней до рождения Альберта Эйнштейна.
Красное смещение
Первые сведения о расширении Вселенной предоставила астроспектрография. В 1886 году английский астроном Уильям Хаггинс заметил, что длины волн звездного света несколько сдвинуты по сравнению с земными спектрами тех же элементов. Исходя из формулы оптической версии эффекта Допплера, выведенной в 1848 году французским физиком Арманом Физо, можно вычислить величину радиальной скорости звезды. Подобные наблюдения позволяют отследить движение космического объекта.
Четверть века спустя эту возможность по-новому использовал сотрудник обсерватории во Флагстаффе в штате Аризона Весто Слайфер, который с 1912 года изучал спектры спиральных туманностей на 24-дюймовом телескопе с хорошим спектрографом. Для получения качественного снимка одну и ту же фотопластинку экспонировали по нескольку ночей, поэтому проект двигался медленно. С сентября по декабрь 1913 года Слайфер занимался туманностью Андромеды и с помощью формулы Допплера-Физо пришел к выводу, что она ежесекундно приближается к Земле на 300 км.
В 1917 году он опубликовал данные о радиальных скоростях 25 туманностей, которые показывали значительную асимметрию их направлений. Только четыре туманности приближались к Солнцу, остальные убегали (и некоторые очень быстро).
Слайфер не стремился к славе и не пропагандировал свои результаты. Поэтому они стали известны в астрономических кругах, лишь когда на них обратил внимание знаменитый британский астрофизик Артур Эддингтон.
В 1924 году он опубликовал монографию по теории относительности, куда включил перечень найденных Слайфером радиальных скоростей 41 туманности. Там присутствовала все та же четверка туманностей с голубым смещением, в то время как у остальных 37 спектральные линии были сдвинуты в красную сторону. Их радиальные скорости варьировали в пределах 150 — 1800 км/с и в среднем в 25 раз превышали известные к тому времени скорости звезд Млечного Пути. Это наводило на мысль, что туманности участвуют в иных движениях, нежели «классические» светила.
Космические острова
В начале 1920-х годов большинство астрономов полагало, что спиральные туманности расположены на периферии Млечного Пути, а за его пределами уже нет ничего, кроме пустого темного пространства. Правда, еще в XVIII веке некоторые ученые видели в туманностях гигантские звездные скопления (Иммануил Кант назвал их островными вселенными). Однако эта гипотеза не пользовалась популярностью, поскольку достоверно определить расстояния до туманностей никак не получалось.
Эту задачу решил Эдвин Хаббл, работавший на 100-дюймовом телескопе-рефлекторе калифорнийской обсерватории Маунт-Вилсон. В 1923—1924 годах он обнаружил, что туманность Андромеды состоит из множества светящихся объектов, среди которых есть переменные звезды семейства цефеид. Тогда уже было известно, что период изменения их видимого блеска связан с абсолютной светимостью, и поэтому цефеиды пригодны для калибровки космических дистанций. С их помощью Хаббл оценил расстояние до Андромеды в 285 000 парсек (по современным данным, оно составляет 800 000 парсек). Диаметр Млечного Пути тогда полагали приблизительно равным 100 000 парсек (в действительности он втрое меньше). Отсюда следовало, что Андромеду и Млечный Путь необходимо считать независимыми звездными скоплениями. Вскоре Хаббл идентифицировал еще две самостоятельные галактики, чем окончательно подтвердил гипотезу «островных вселенных».
Справедливости ради стоит отметить, что за два года до Хаббла расстояние до Андромеды вычислил эстонский астроном Эрнст Опик, чей результат — 450000 парсек — был ближе к правильному. Однако он использовал ряд теоретических соображений, которые не были так же убедительны, как прямые наблюдения Хаббла.
К 1926 году Хаббл провел статистический анализ наблюдений четырех сотен «внегалактических туманностей» (этим термином он пользовался еще долго, избегая называть их галактиками) и предложил формулу, позволяющую связать расстояние до туманности с ее видимой яркостью. Несмотря на огромные погрешности этого метода, новые данные подтверждали, что туманности распределены в пространстве более или менее равномерно и находятся далеко за границами Млечного Пути. Теперь уже не приходилось сомневаться, что космос не замыкается на нашей Галактике и ее ближайших соседях.
Модельеры космоса
Эддингтон заинтересовался результатами Слайфера еще до окончательного выяснения природы спиральных туманностей. К этому времени уже существовала космологическая модель, в определенном смысле предсказывавшая эффект, выявленный Слайфером. Эддингтон много размышлял о ней и, естественно, не упустил случая придать наблюдениям аризонского астронома космологическое звучание.
Современная теоретическая космология началась в 1917 году двумя революционными статьями, представившими модели Вселенной, построенные на основе общей теории относительности. Одну из них написал сам Эйнштейн, другую — голландский астроном Виллем де Ситтер.
Эдвин Хаббл эмпирически выявил примерную пропорциональность красных смещений и галактических дистанций, которую он с помощью формулы Допплера-Физо превратил в пропорциональность между скоростями и расстояниями. Так что мы имеем здесь дело с двумя различными закономерностями.
Хаббл не знал, как они связаны друг с другом, но что об этом говорит сегодняшняя наука?
Как показал еще Леметр, линейная корреляция между космологическими (вызванными расширением Вселенной) красными смещениями и дистанциями отнюдь не абсолютна. На практике она хорошо соблюдается лишь для смещений, меньших 0,1. Так что эмпирический закон Хаббла не точный, а приближенный, да и формула Допплера-Физо справедлива только для небольших смещений спектра.
А вот теоретический закон, связывающий радиальную скорость далеких объектов с расстоянием до них (с коэффициентом пропорциональности в виде параметра Хаббла V=Hd), справедлив для любых красных смещений. Однако фигурирующая в нем скорость V – вовсе не скорость физических сигналов или реальных тел в физическом пространстве. Это скорость возрастания дистанций между галактиками и галактическими скоплениями, которое обусловлено расширением Вселенной. Мы бы смогли ее измерить только в том случае, если были бы в состоянии останавливать расширение Вселенной, мгновенно протягивать мерные ленты между галактиками, считывать расстояния между ними и делить их на промежутки времени между измерениями. Естественно, что законы физики этого не позволяют. Поэтому космологи предпочитают использовать параметр Хаббла H в другой формуле, где фигурирует масштабный фактор Вселенной, который как раз и описывает степень ее расширения в различные космические эпохи (поскольку этот параметр изменяется со временем, его современное значение обозначают H0). Вселенная сейчас расширяется с ускорением, так что величина хаббловского параметра возрастает.
Измеряя космологические красные смещения, мы получаем информацию о степени расширения пространства. Свет галактики, пришедший к нам с космологическим красным смещением z, покинул ее, когда все космологические дистанции были в 1+z раз меньшими, нежели в нашу эпоху. Получить об этой галактике дополнительные сведения, такие как ее нынешняя дистанция или скорость удаления от Млечного Пути, можно лишь с помощью конкретной космологической модели. Например, в модели Эйнштейна – де Ситтера галактика с z = 5 отдаляется от нас со скоростью, равной 1,1 с (скорости света). А вот если сделать распространенную ошибку и просто уравнять V/c и z, то эта скорость окажется впятеро больше световой. Расхождение, как видим, нешуточное.
Зависимость скорости далеких объектов от красного смещения согласно СТО, ОТО (зависит от модели и времени, кривая показывает настоящее время и текущую модель). При малых смещениях зависимость линейная.
Эйнштейн в духе времени считал, что Вселенная как целое статична (он пытался сделать ее еще и бесконечной в пространстве, но не смог найти корректные граничные условия для своих уравнений). В итоге он построил модель замкнутой Вселенной, пространство которой обладает постоянной положительной кривизной (и поэтому она имеет постоянный конечный радиус). Время в этой Вселенной, напротив, течет по-ньютоновски, в одном направлении и с одинаковой скоростью. Пространство-время этой модели искривлено за счет пространственной компоненты, в то время как временная никак не деформирована. Статичность этого мира обеспечивает специальный «вкладыш» в основное уравнение, препятствующий гравитационному схлопыванию и тем самым действующий как вездесущее антигравитационное поле. Его интенсивность пропорциональна особой константе, которую Эйнштейн назвал универсальной (сейчас ее называют космологической постоянной).
Источник