Автор книги: Приямвада Натараджан
Жанр: Физика, Наука и Образование
Возрастные ограничения: +12
сообщить о неприемлемом содержимом
Текущая страница: 3 (всего у книги 17 страниц) [доступный отрывок для чтения: 5 страниц]
2. Границы отодвигаются
Расширение Вселенной
Холодным февральским утром 1848 г. Эдгар Алан По читал лекцию под названием «О космографии Вселенной». Она проходила в государственной Нью-Йоркской общественной библиотеке. Присутствовало всего 60 человек, и они покинули зал разочарованными и озадаченными. И все же эта лекция и предшествующая ей работа послужили основой для поэмы в прозе «Эврика», в которой По демонстрирует личное понимание происхождения Вселенной. Некоторые воспринимают «Эврику» как пророческое произведение, предугадывающее новые научные открытия, другие – как произведение романтическое, очень личное или даже нарочито сатирическое. На первых страницах По восклицает: «Я вознамерился говорить о Физической, Метафизической, и Математической – о Вещественной и Духовной Вселенной: о ее Сущности, ее Происхождении, ее Сотворении, ее Настоящем Состоянии, и Участи ее»[14]14
По Эдгар А. Эврика. – М.: Эксмо, 2008.
[Закрыть]. Он продолжает описывать Вселенную как непостоянную и изменяющуюся. Это в корне противоречило существующему в научном сообществе видению статичной Вселенной. За неимением доказательств По в своей поэме пытается быть убедительным за счет предположений. Тем не менее в 1848 г. было невозможно убедить кого-либо в состоятельности новой научной идеи без предоставления эмпирических доказательств. Научное объяснение нуждалось в поддержке расчетов и наблюдений. Конечно, По не проводил каких-либо научных изысканий. Но он был прав.
Более 80 лет понадобилось астрономам для того, чтобы подтвердить правоту По. В 1929 г. Эдвин Пауэлл Хаббл с помощью современного по тем временам 100-дюймового телескопа на станции Маунт-Вилсон в Южной Калифорнии открыл удивительную зависимость: чем дальше находилась галактика, тем скорее, судя по всему, она удалялась от нас. Его наблюдение имело смысл только в случае, если предположить, что Вселенная расширяется. «Эврика» получила подтверждение! Это открытие привело к коренному сдвигу в нашем понимании космоса, не менее важному, чем созданная Николаем Коперником в 1543 г. гелиоцентрическая модель мира. Идея расширяющейся Вселенной получила поддержку и обозначила появление принципиально новой картины космоса – XX в. преобразил нашу космическую карту.
Если эта история начинается с Эдвина Хаббла, заметим, что Альберт Эйнштейн для нашего главного героя играл роль важного антагониста. В то время как Хаббл, будучи астрономом, был занят пересмотром привычной модели Вселенной, основываясь на своих наблюдениях, Эйнштейн, знаменитый теоретик, ухватился за идею о неподвижной Вселенной. Сражение разыгрывалось не между Эйнштейном и Хабблом как отдельными учеными и даже не между теорией и наблюдениями, но между верой и доказательствами. В другой февральский день – на этот раз речь идет о 1931 г. – на семинаре в обсерватории Маунт-Вилсон (что было уместно, так как именно здесь Хаббл получил свои данные) Эйнштейн наконец признал, что он ошибался, и это утверждение шокировало всех собравшихся в зале слушателей, включая Хаббла. Репортер из газеты Associated Press написал, что «по библиотеке пронесся возглас удивления»[15]15
Walter B. Clausen, Associated Press release, February 4, 1931, цит. по: Gale E. Christianson, Edwin Hubble: Mariner of the Nebulae (Chicago, University of Chicago Press, 1995), 210.
[Закрыть]. Этот возглас символизировал то, что человеческий фактор играет важную роль в области научных исследований.
Но теперь, когда я раскрыла вам кульминационный момент, давайте вернемся к начинаниям Хаббла. 6 мая 1906 г. привлекательный 16-летний старшекурсник школы Wheaton High School в Чикаго побил рекорд штата Иллинойс по прыжкам в высоту. Газета Chicago Tribune сообщила, что юный Эдвин Пауэлл Хаббл взял высоту в 185 см, – возможно, это больше легенда, чем факт. Как подробно рассказывает Алан Лайтман, позднее в том же году Хаббл якобы выиграл медали за все прочие соревнования – от прыжков с шестом до толкания ядра и метания диска. Когда Хаббл получил стипендию, чтобы учиться в Чикагском университете, казалось, он вполне встал на путь профессионального атлета. Хаббл был хорошо сложен, его рост достигал 188 см, и он был невероятно амбициозен. Помимо привлекательных физических данных Хаббл обладал живым умом, был одарен глубоким мышлением, а также, по словам его сестры Люси, с ранних лет отличался высокомерием. Пусть и склонный к преувеличению своих способностей, Хаббл обладал пытливым умом и был весьма начитан. Он рано проявил интерес к астрономии, когда в возрасте восьми лет получил телескоп от своего деда Уильяма Джеймса. Похоже, первое знакомство с космосом произвело на него неизгладимое впечатление. После блестящих успехов в бакалавриате Чикагского университета он получил стипендию Родса для учебы в Оксфорде. Получение этой стипендии стало для Хаббла важной вехой, и годы жизни в Англии на всю жизнь превратили его в англофила. Чтобы угодить отцу, Хаббл изучал юриспруденцию в Королевском колледже, отказавшись от своей мечты продолжить изучение астрономии или математики во время пребывания в Соединенном Королевстве. Среди его современников, известных в будущем и получивших в том же году стипендию Родса, были корреспондент Элмер Дэвис, который в дальнейшем возглавил Бюро военной информации США во время Второй мировой войны, и математик и первопроходец в электронике Ральф Хартли. За годы, проведенные в Оксфорде, Хаббл стал щеголем, освоил английский, характерный для высших слоев общества, а также приобрел манеры, которые соответствовали аристократическому укладу. Он тщательно придерживался усвоенных привычек на протяжении всей жизни, включая курение трубки, – даже в процессе наблюдений в Маунт-Вилсон в свои последние годы[16]16
Jordan Holliday, “Before Revolutionizing Astronomy, Hubble Helped Rewrite Record Books,” Chicago Maroon, April 10, 2009, http://chicagomaroon.com/2009/04/10/ before-revolutionizing-astronomy-hubble-helped-rewrite-record-books/; Alan Lightman, The Discoveries: Great Breakthroughs in 20th-Century Science, Including the Original Papers (New York: Pantheon, 2005), 230; Marcia Bartusiak, The Day We Found the Universe (New York: Vintage, 2009), 170; and “Rhodes Scholars: Complete List, 1903–2015,” www.rhodeshouse.ox.ac.uk/about/rhodes-scholars/rhodes-scholars-complete-list. Bartusiak, Archives of the Universe: 100 Discoveries That Transformed Our Understanding of the Cosmos (New York: Vintage, 2004), 414–24.
[Закрыть].
Хаббл вернулся в Соединенные Штаты в 1913 г., вновь соединившись с семьей, и, предположительно, открыл юридический офис в Луисвилле, штат Кентукки, но оказалось, что он просто отложил свои мечты о космосе. Друзьям в Англии он писал, что занимается судебными делами, но на самом деле преподавал физику, математику и испанский язык в старшей школе в Нью-Олбани по другую сторону реки Огайо от Луисвилля[17]17
Bartusiak, Day We Found the Universe, 174; and Christianson, Edwin Hubble, 86–87.
[Закрыть]. Его отец умер ранее в этом же году, так что Хаббл вернулся, чтобы помочь матери и младшим брату и сестрам. Хаббл был опустошен утратой. Но в то же время чувствовал себя освобожденным от деспотичного гнета ожиданий со стороны сурового отца. Он бросил работу в течение года после возвращения из Англии и вернулся в Чикагский университет, куда был зачислен как студент магистратуры в сфере астрономии.
До открытий Хаббла в любом уголке мира верили в статичную и неизменную Вселенную. В мифах о сотворении мира на протяжении тысячелетий народы пытались справиться с изменчивыми природными явлениями – дождем, громом, молниями, наводнениями и засухой, взывая к незыблемым небесам, статичному космосу. То, что мы видели в ночном небе одни и те же звезды, конечно, поддерживало эту веру.
В своей книге «О небе» Аристотель написал: «Ибо согласно [историческим] преданиям, передававшимся из поколения в поколение, ни во всем высочайшем Небе, ни в какой-либо из его частей за все прошедшее время не наблюдалось никаких изменений»[18]18
Аристотель. Собр. соч.: в 4 т. Т. 3. – М.: Мысль, 1981.
[Закрыть]. Начиная с античных времен астрономы и философы (между ними достаточно долго не было никакой разницы) делили ночное небо на две категории: во-первых, неподвижные звезды, которые, по-видимому, восходят и заходят, однако с течением времени сохраняют свои приблизительные позиции, и, во-вторых, «блуждающие звезды», к которым относились планеты, Солнце и Луна[19]19
Aristotle, On the Heavens, book 1, chapter 3, translated by W. K. C. Guthrie, Loeb Classical Library (Cambridge, MA: Harvard University Press, 1971), 25. Неподвижные звезды имеют параллакс, который представляет собой изменение видимого положения, вызванное орбитальным движением Земли. Этот эффект достаточно мал, и его не могли заметить до наших дней. С его помощью можно найти расстояние до ближайших звезд.
[Закрыть].
Неподвижные звезды также входили в состав впечатляющих символьных систем в древних эллинистических и индийских астрологических традициях. Астрология, развитию которой в значительной мере способствовали наблюдения ночного неба, во многом проложила дорогу астрономии как современной научной дисциплине. Один из самых ранних документов, в котором упоминаются звезды и созвездия, – каталог, обнаруженный в астрологическом сборнике на латыни под названием «Книга Гермеса» (Liber Hermetis). Этот звездный каталог предположительно датирован 130 г. до н. э. В любом случае он, по-видимому, предшествует птолемеевскому (приблизительно 150 г. н. э.), хотя в нем присутствуют названия многих звезд, позже упомянутые в «Альмагесте». Птолемей указал 1020 неподвижных звезд вдобавок к тем, которые имелись в «Книге Гермеса», и они стали играть важную роль в эллинистической традиции[20]20
. Liber Hermetis, Part I, translated by Robert Zoller, edited by Robert Hand (Berkeley Springs, WV: Golden Hind, 1993).
[Закрыть].
Незыблемые небеса вдохновляли многих поэтов как метафора постоянства и неизменности в эфемерном и изменчивом мире. Такое представление о наличии неколебимого мира, пусть даже далекого и непостижимого, давало человеческой душе чувство стабильности. Что бы ни происходило, звезды оставались бессменными и молчаливыми свидетелями мимолетной драмы человеческой жизни. Вечные декорации мироустройства напоминали о предопределенном небесном происхождении космоса. Понятие незыблемости воспринималось человеческим воображением как достоверный факт, кроме того, было точкой опоры для накопленных человечеством знаний. В аллегорическом произведении Данте Алигьери «Божественная комедия» (XIV в.) восьмое небо, олицетворяющее рай, принадлежит неподвижным звездам, как и предполагал Птолемей.
Время жизни Шекспира (1564–1616) совпало с жизнью Джордано Бруно (1548–1600), Галилео Галилея (1564–1642), Тихо Браге (1546–1601) и Иоганна Кеплера (1571–1630). Все они были натурфилософами – или, как я назову их анахронически, первыми учеными. На Шекспира их открытия оказали огромное влияние. Доработка телескопа, которую осуществил Галилео, позволила значительно расширить обзор вовне и изменила наши знания о небесной сфере. Если же говорить о картине мира, в умах господствовала геоцентрическая теория, которую Птолемей выдвинул в своем «Альмагесте». Это был расцвет астрономической эры – и Шекспир часто прибегал к астрономии в своих рукописях. Он неоднократно обращался к неподвижным звездам в пьесах и сонетах. В сонете 21 неподвижные звезды обозначают непоколебимость любви:
Символика неподвижных звезд оставалась модной для английских поэтов эпохи романтизма. Перси Биши Шелли написал в 5-й песне своей поэмы «Королева Маб» в 1813 г.:
В этом стихотворении королева Маб и дух Ианте «возносятся на волшебной колеснице», чтобы показать «будущий рай человечества». Стихотворение необычно обилием сопроводительных комментариев – целых 93 страницы вдобавок к 86 страницам самой поэмы. Это пример увлечения Шелли наукой, с помощью которой он подкрепляет свои поэтические образы и употребляемые им пророческие элементы, используя свежие открытия и новые научные идеи. Здесь мы видим заметное отличие от попытки По убедить читателя лишь с помощью предположений[23]23
Robert Mitchell, “‘Here Is Thy Fitting Temple’: Science, Technology and Fiction in Shelley’s Queen Mab,” in “Romanticism on the Net,” special issue, Romanticism and Science Fiction 21 (February 2001): www.erudit.org/revue/ron/2001/v/n21/ 005964ar.html
[Закрыть].
Эйнштейн не был поэтом, да и писал в XX в., однако его не в меньшей степени очаровывали неподвижные звезды. За доказательствами мы можем обратиться не далее чем к его научной работе 1917 г. по теории космологии, в которой он в общих чертах обрисовывает суть известной сегодня новой теории гравитации – Общей теории относительности: «Космологические наблюдения к общей теории относительности»[24]24
Эйнштейн А. Собрание научных трудов в четырех томах. – М.: Наука, 1965–1967.
[Закрыть]. Сформулированные Эйнштейном так называемые уравнения поля всеобщей относительности объясняют, как материя и энергия создают гравитацию и как гравитация, в свою очередь, влияет на форму пространства и времени. Также в работе вводится космологическая постоянная, обозначенная греческой буквой «лямбда». Лямбда – противодействующая сила, которая сопротивляется притягивающей природе гравитации, – в формулировке Эйнштейна обеспечивала неподвижное положение в небе звезд и туманностей (в то время уже знали о галактиках). Эйнштейн утверждал, что можно выбрать значение лямбды для поддержания этого хрупкого баланса, который отвечал бы за неизменную Вселенную и ее постоянный размер. Введение этой константы стало весьма умным шагом с его стороны для защиты всех остальных наблюдений, которые подтверждали его ОТО. Отталкивающий эффект лямбды имел бы незначительное проявление при наблюдении в масштабах нашей Солнечной системы и показал себя только на огромнейших космических расстояниях. Такие масштабы в то время выходили за рамки эмпирической досягаемости.
В заключение своей работы Эйнштейн признает: «…последний [член лямбда] нам необходим для того, чтобы обеспечить возможность квазистатичного распределения материи, соответствующего фактическим малым скоростям звезд». Другими словами, у него не было объяснения, почему и как появилось понятие лямбды. Он обосновал свои измышления, заявив о необходимости соответствовать необычайно малым скоростям или видимому движению близлежащих звезд в отношении более далеких точек отсчета. Но добавленный им дополнительный член был не только способом скорректировать уравнение и представить теорию в лучшем виде. Мотивы Эйнштейна, которыми он руководствовался при изменении уравнения, свидетельствовали о продолжении культурной традиции и глубоко устоявшейся вере в статичную Вселенную[25]25
Позже Эйнштейн утверждал, что космологическая константа была его «самой большой ошибкой». См.: Mario Livio, Brilliant Blunders: From Darwin to Einstein – Colossal Mistakes by Great Scientists That Changed Our Understanding of Life and the Universe (New York: Simon and Schuster, 2013), 233.
[Закрыть].
Эйнштейн был убежден, что нашел в статичной Вселенной единственно возможное решение своих уравнений поля. Но в 1917 г. нидерландский физик Виллем де Ситтер доказал существование другого решения. Оно описывало пустынную Вселенную, лишенную всякой материи. Де Ситтер предложил новую модель Вселенной, основываясь на космологической теории Эйнштейна, и свой вариант скромно и почтительно именовал «Решением Б» в ответ на «Решение А» Эйнштейна. Геометрия пространства, которая является ключевой характеристикой в теории относительности Эйнштейна, не меняется во времени в Решении А Эйнштейна или новом Решении Б. Однако де Ситтер взял на себя смелость предположить, что содержание материи во Вселенной незначительно в сравнении с силой космологической постоянной Эйнштейна. В его решении из-за отсутствия материи во Вселенной направление ее развития полностью зависит от выдумки Эйнштейна – понятия космологической постоянной. Решение Б де Ситтера подразумевает два ошеломляющих вывода: измерения времени зависят от местоположения наблюдателя во Вселенной и туманности движутся эксцентрично – они стремительно разбегаются друг от друга, приводимые в движение исключительно мощной отталкивающей силой со стороны превалирующей космологической постоянной, и таким образом аннулируют действие гравитации[26]26
Lightman, Discoveries, 230–32.
[Закрыть].
Де Ситтер с интересом следил за успехами наблюдательной астрономии и знал об опубликованных в 1913 г. результатах наблюдений астронома Весто Мелвина Слайфера за удаляющимися туманностями. Эйнштейн не был в курсе эмпирических достижений в астрономии. В своей работе в 1917 г. де Ситтер отчитался о ряде исследованных туманностей, которые разбегались со скоростью несколько сотен километров в секунду. Эти наблюдения соответствовали прогнозу де Ситтера и, по его утверждениям, поддерживали таким образом Решение Б. Эти доводы не убедили Эйнштейна и других ученых. Они считали модель Вселенной де Ситтера абсурдной, так как она не содержала никакой материи! Даже несмотря на то, что Решение Б забраковали, работа де Ситтера приобрела статус фундаментальной, так как он открыл дорогу для новой, принципиально важной возможности – трактовать время в уравнениях Эйнштейна как переменную величину. Де Ситтер оформил и усовершенствовал концепцию постоянно развивающейся Вселенной. Тем не менее ему требовались решения, которые бы совпадали с реальной Вселенной – такой, которая явно содержит галактики, а не одну пустоту.
После того как де Ситтер проложил дорогу концепции изменяющейся во времени Вселенной, идея быстро проникла в умы, и другие ученые взялись за исследования в этом направлении. Одним из таких исследователей был советский ученый Александр Фридман, в 1922 г. начавший изучать решения уравнений поля, которые описывали Вселенную, содержавшую в себе материю и изменяющуюся с течением времени, то есть динамические модели космоса при наличии материи. Он отказался как от идей Эйнштейна, так и де Ситтера, и обнаружил ряд иных решений, включающих переменные, которые удовлетворяли уравнениям поля. В его модели Вселенная первоначально была крайне плотной, но с течением времени она расширялась и становилась все более разреженной. Эйнштейн ознакомился с работой Фридмана, но без долгих рассуждений отказался принимать ее всерьез, так как он был категорически не согласен с расчетами ученого. Отчасти по причине такого несогласия работа так и не получила широкого распространения среди читателей. Кроме того, Фридман умер всего три года спустя в возрасте 37 лет. В отсутствие сильных сторонников его идея осталась без внимания.
В действительности Эйнштейн был недоволен решениями и де Ситтера, и Фридмана, но причины недовольства слегка отличались. Решение де Ситтера он считал абсурдным, так как оно подразумевало пустую Вселенную, а решение Фридмана противоречило уверенности Эйнштейна в статичности Вселенной. В ответ Эйнштейн опубликовал несколько поспешно написанных (и ошибочных) статей, призванных выявить заблуждения обоих ученых. Но, когда были обнаружены ошибки в его собственных возражениях, он признал право на существование данных решений, хотя они его и не убедили. Таким образом, даже человек, которого многие считают эпохальным ученым, придерживался убеждений, не имеющих под собой рациональной базы, несмотря на то что в своей работе опирался на рациональное восприятие и логику. Вердикт Эйнштейна, согласно которому Вселенная должна была пребывать в статичном состоянии, оставался непоколебимым до тех пор, пока не появились неопровержимые эмпирические доказательства противного.
Теория и наблюдения в астрономии до сей поры шли параллельно, но неожиданно на сцену вышел европейский священник, который заставил их пересечься. Ничем не примечательный молодой бельгийский священник и физик Жорж Леметр установил принципиально важную взаимосвязь между приведенными выше отвлеченными теоретическими решениями и эмпирическими данными, которые наконец убедили принять выводы Хаббла. Во время своей работы в Гарвардской обсерватории в 1924–1925 гг. Леметр осознал масштабные перспективы сведения в единое целое теории и результатов наблюдений. Он присутствовал на ежегодном собрании Американского астрономического общества в Вашингтоне в 1925 г., где услышал о первом крупном открытии Хабблом существования других галактик помимо нашей собственной. Кроме того, Леметр знал об астрономе Слайфере, бывшем фермере из Индианы, и был знаком с его выводами об удаляющихся туманностях. Леметр заметил, что эти два наблюдения при их сопоставлении подразумевают расширение Вселенной. И у него случилось озарение. Постепенно обрастала деталями идея провести эмпирический тест, цель которого – получить веские доказательства, необходимые для подтверждения теоретической гипотезы о расширяющейся Вселенной. После возвращения в Левен (Бельгия) он разработал модель динамичной Вселенной наподобие работы Фридмана, хотя и не имел ни малейшего понятия о его идеях. Дальновидный Леметр, на два шага опережая всех ученых, сразу же принялся сопоставлять возможные последствия результатов Хаббла и потенциальное использование новооткрытых галактик для проверки характеристик Вселенной. Он стремился проверить, находится ли наблюдаемая нами Вселенная в согласии с ОТО. В своей статье от 1927 г. Леметр спрогнозировал, что скорость, с которой туманности от нас удаляются, пропорциональна расстоянию между нами и туманностью, и подытожил: «Скорости удаления внегалактических туманностей представляют собой космический эффект расширения Вселенной»[27]27
Georges Lemaître, “Un univers homogène de masse constante et de rayon croissant rendant compte de la vitesse radiale des nébuleuses extragalactiques,” Annales de la Société scientifique de Bruxelles 47A (1927): 49–59, translated as “A Homogeneous Universe of Constant Mass and Increasing Radius Accounting for the Radial Velocity of Extra-galactic Nebulae,” Monthly Notices of the Astronomical Society 91 (1931): 483–90, quote on 489.
[Закрыть]. Линейная зависимость, согласно которой скорость удаляющихся туманностей пропорциональна расстоянию до них, стала качественно новым выводом, ранее не упомянутым Фридманом. Теперь появились четкие предпосылки для теоретических решений, которые можно было бы напрямую сопоставить с астрономическими наблюдениями. Леметр не знал о расчетах Фридмана, статья которого канула в Лету. К сожалению, Леметр опубликовал свою эпохальную идею на французском языке в малоизвестном научном журнале «Вестник Научного общества Брюсселя» (Annals of the Scientific Society of Brussels). И хотя в 1928 г. в Кембридже он входил в круг великих умов, таких как Артур Стенли Эддингтон, сам Леметр, гигант мысли британской элиты астрофизиков, не смог привлечь к своей работе большого внимания. Теоретическая концепция динамической Вселенной появилась в научной литературе в 1928 г., но осталась незамеченной и не имела какого-либо влияния.
Теперь мы возвращаемся в 1912 г., в мир наблюдательной астрономии, на фоне которой развернутся приведенные выше теоретические свершения. Астрономы-наблюдатели гораздо раньше обнаружили указания на динамический характер Вселенной. Как было сказано выше, первым ключом к разгадке послужили измерения Слайфером скорости туманностей, которые он осуществил с помощью 24-дюймового телескопа в Обсерватории Лоуэлла в штате Аризона в 1912 г. Главным техническим прорывом в то время стало использование фотопластинок в телескопе, которые позволяли фиксировать изображения слабо видимых астрономических объектов. Уже в 1840 г. удалось успешно получить изображение небесного тела, однако понадобилось куда больше времени, чтобы этот метод достиг совершенства. Еще 50 лет потребовалось для фиксации изображения тусклых звезд и неярких туманностей, которые нельзя увидеть невооруженным глазом. К началу 1900-х гг. наблюдатели регулярно оснащали телескопы камерами и другими приборами, например спектрографами: с помощью разложения света на составляющие его длины волн они показывают химический состав наблюдаемых объектов. Исследователи наводили телескопы на конкретные объекты и собирали свет в течение длительного времени. Свет на пластинке, регистрировавшей местоположение и яркость объектов, фиксировался как негативное изображение – в виде темных пятен.
Эта революционная технология позволила астрономам фиксировать слабые удаленные объекты, используя длинную экспозицию. Изображения на пластинке означали, что у астрономов появились надежные доказательства того, что они видели. Фотопластинки позволяли исследователям анализировать наблюдения и производить измерение характеристик объектов на фотографическом кадре. При наличии материальных данных наблюдений астрономы могли изучать фотопластинки при свете дня. Фотоизображения также способствовали обмену наблюдениями. Самое важное – появилась возможность откалибровать измерение яркости объекта, сделались доступными количественные статистические исследования. В частности, теперь можно было обнаружить и подтвердить с помощью повторного наблюдения перемещение объектов. Также появилась возможность измерять и документировать количественные доказательства, взятые из объективного источника – фотопластинок, в то время как ранее приходилось полагаться на хоть и тренированные, но все же потенциально пристрастные глаза астронома. Хотя в наши дни все это и не выглядит масштабным достижением, в такой сфере, как астрономия, где нельзя осуществить управляемый лабораторный эксперимент, это был настоящий прорыв. Оборудование, которое снижало зависимость от субъективного наблюдателя и автоматически регистрировало данные, максимально приблизило космологические наблюдения к качественным экспериментальным данным.
Фотопластинки, несомненно, стали важнейшими инструментами, ускорившими открытие расширяющейся Вселенной. Они зафиксировали первые материальные изображения ночного неба, которые можно было анализировать, хранить и снова включать в работу в рамках исследования и анализа. Они передавали подробное изображение ночного неба, что способствовало более тщательному изучению отдельных объектов.
Фотопластинка, предшественница фотопленки, представляет собой стеклянную пластину, покрытую фоточувствительной эмульсией, состоящей из соединений серебра, на которой можно фиксировать изображение. Пластинки были в употреблении в астрономии до 1990-х гг., так как они прочнее пленки, их сложнее помять или свернуть. Во многих известных астрономических исследованиях объекты регистрировали на пластинках. До изобретения цифровых камер фотопластинка была главным рабочим компонентом астрономического сообщества.
Фотография славится долгой и богатой историей, но если говорить о ее значении в нашем контексте, то главной здесь будет роль, которую она сыграла в фиксации изображений ночного неба. Фотографии астрономических объектов стали использоваться в научных целях в середине XIX в. Для снимков тусклых астрономических объектов была необходима длительная экспозиция и телескопам требовалась устойчивая опора, а также возможность постоянного перемещения для компенсации вращения Земли. Фокусировка телескопа на фиксированном участке неба в течение длительного времени стала непростой технической задачей. Изобретатель дагерротипии Луи-Жак Манде Дагер снял первое фото Луны в 1839 г. Луна выглядела как пуховый комок из-за сложностей с отслеживаем объекта при длительной выдержке. Уильям Крэнч Бонд и Джон Адамс Уиппл сделали первую фотографию звезды 17 июля 1850 г. с помощью 15-дюймового телескопа Гарвардской обсерватории, который все еще покоится в своей башне по адресу Гарден-стрит, 60, в Кембридже, в кампусе Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики.
Затем в 1871 г. Ричард Мэддокс изобрел легкую желатиновую пластину с эмульсионным слоем. Путем проб и ошибок, работая с различными материалами, он обнаружил, что пластинки, покрытые бромистым кадмием и нитратом серебра, закрепляемые с помощью желатина, имеют невероятную светочувствительность. Джон Гершель, сын астронома Уильяма Гершеля, создал первую фотографию на стеклянной пластинке и ввел в обращение термины «позитив» и «негатив». Джон Гершель по праву заслужил титул выдающегося ученого, и его авторитетное исследование «Предварительные рассуждения об изучении натуральной философии» (Preliminary Discourse on the Study of Natural Philosophy) было опубликовано в 1831 г. в «Кабинетной энциклопедии» (Cabinet Сyclopaedia) Дионисия Ларднера. Работа, формулирующая метод научного исследования, вдохновила многих ученых, включая натуралиста Чарльза Дарвина[28]28
Charles Darwin to W. D. Fox, February 15, 1851, available at Darwin Correspondence Project, accessed August 12, 2014, www.darwinproject.ac.uk/entry-94
[Закрыть]. Гершель разработал технику покрытия стеклянной пластины с одной стороны желатиновой эмульсией, содержащей микрокристаллы высокочувствительного составного галогенида серебра. Размер кристаллов определяет чувствительность, контрастность и разрешение изображения. При воздействии света эмульсия постепенно темнеет, запечатлевая рисунок и оставляя негативный отпечаток.
К началу 1900-х гг. применение фотопластинок в астрономии стало повседневной практикой. Для обработки снимков требовалась напряженная ручная работа, и с этой целью Эдвард Пикеринг, директор Гарвардской обсерватории, нанял группу женщин-исследователей, среди которых была Генриетта Суон Ливитт (и их работа имела решающее значение для миссии Хаббла), за зарплату 25–30 центов в час. Пикеринг нанял Ливитт и других женщин с высшим образованием для работы в рамках его амбициозного исследования, целью которого были каталогизация и точное измерение яркости и цвета каждой звезды на небе. В 1950-х гг. Лаборатория научных вычислений имени Томаса Дж. Уотсона, основанная в Колумбийском университете, в сотрудничестве с IBM первой внедрила автоматизированный способ измерения астрономических пластин, и таким образом машины в итоге заменили человеческие ресурсы и взяли на себя функции счетных устройств. Автоматизация процесса измерения пластин в дальнейшем способствовала извлечению данных из целого ряда исследований, посвященных крупным участкам небесной сферы.
Мощность телескопов и фотопластин стала тем инструментом, который внезапно сделал невидимое видимым, придал осязаемую форму эфемерному и навсегда запечатлел то, что ранее было мимолетным. Эти разработки раздвинули горизонты, повысили объективность и доработали способ превращения информации в доказательную основу. Астрономические наблюдения превратились в двигатель открытий, предоставляя фактический материал, иллюстрирующий космические явления.
Именно Слайфер, которого мы упоминали выше, с помощью нового наблюдательного оборудования нашел одну из первых зацепок: в 1912 г. он обнаружил, что туманность Андромеды, судя по всему, стремительно движется в нашем направлении с довольно существенной скоростью около 300 км/с, что составляет около 1 млн км/ч. В 1914 г., при ее измерении, он выяснил, что несколько других туманностей также движутся с высочайшей скоростью, но уже в противоположном от нас направлении. Эти скорости было невозможно себе представить. Например, в 1912 г. на гонках «Индианаполис-500» самый быстрый автомобиль, который первым пришел к финишу, двигался со средней скоростью всего 129 км/ч. Отчасти изумление, которым сопровождались подобные наблюдения, было вызвано абсолютной невозможностью человеческого воображения охватить такие колоссальные скорости.
Внешние галактики (которые в то время называли внегалактическими туманностями) считались скоплениями звезд, которые либо были слишком тусклыми, либо располагались слишком близко друг к другу, чтобы их можно было рассмотреть по отдельности невооруженным глазом. Сегодня нам известно, что галактики, подобные нашему Млечному Пути, состоят из сотен миллиардов звезд, газа и пыли и что во Вселенной помимо нашей есть миллиарды и миллиарды других галактик. Во времена Слайфера точное расстояние до туманностей оставалось неизвестным, и один из вопросов, который часто вызывал дебаты среди астрономов, звучал так: располагались ли эти далекие туманности внутри нашей Галактики или же они были «островами во Вселенной» за пределами Галактики? Предполагаемый размер Вселенной в те дни, как и сегодня, определялся по видимой границе – насколько далеко мы можем проникнуть взглядом с помощью самых передовых из имеющихся инструментов. Что касается концепции, то представление о туманностях как изолированных в космосе скоплениях звезд не было чем-то новым. Английский астроном Томас Райт (1711–1786) сформулировал эту концепцию еще в 1750 г. Райт, который на протяжении всей жизни был поглощен желанием примирить свои религиозные и научные взгляды, воспринимал такие астрономические объекты в рамках космотеологического мировоззрения. До измерения космических расстояний существовало предположение, что любой объект Вселенной очень похож на другой, и поэтому, если считать, что все звезды приблизительно такие же яркие, как Солнце, самые тусклые кажутся таковыми, так как просто находятся гораздо дальше. Следовательно, расстояния до них можно измерить, сравнив их с яркостью Солнца. Однако предположения изобретательного Райта выходили за пределы Млечного Пути: он представлял, что туманности могут находиться и вне нашей обитаемой Галактики.
Правообладателям!
Данное произведение размещено по согласованию с ООО "ЛитРес" (20% исходного текста). Если размещение книги нарушает чьи-либо права, то сообщите об этом.Читателям!
Оплатили, но не знаете что делать дальше?
