Парадокс Ольберса
Почему небо ночами темное? Если вселенная бесконечна и существовала всегда, она должна быть такой же яркой, как Солнце, — так нет, даром что, глядя в ночное небо, вы видите всю историю вселенной. Число звезд на небе ограниченно, а из этого следует, что вселенная имеет конечные размеры и конечный возраст. Парадокс Ольберса указал путь современной космологии и привел к созданию модели Большого взрыва.
Вы, наверное, думаете, что создание карты всей вселенной и проникновение в ее историю дело сложное, требующее запуска в космос дорогостоящих спутников, строительства огромных телескопов на удаленных горных вершинах и мозгов, как у Эйнштейна. На самом деле, выйдя из дома в ясную ночь, вы можете произвести наблюдение такое же во всех его частностях глубокое, как общая теория относительности. Ночью небо темное. Мы привыкли считать, что это само собой разумеется, однако то, что оно темное, а не сверкает, как Солнце, говорит нам о нашей вселенной очень многое.
Гори, гори, моя звезда
Если бы вселенная была бесконечно велика и бесконечно уходила от нас во всех направлениях, то куда бы мы ни посмотрели, непременно увидели бы звезду. Каждый наш взгляд упирался бы в звезду. А по мере нашего удаления от Земли пространство наполнялось бы все большим и большим числом звезд. Это как в лесу: вблизи от себя вы различаете отдельные стволы, и чем они ближе, тем более крупными кажутся, но все поле вашего зрения заполняют деревья все более и более удаленные. И если лес достаточно велик, вы не сможете различить лежащего за ним ландшафта. То же самое происходило бы, будь вселенная бесконечно большой. Разумеется, расстояния между звездами больше, чем между деревьями, но в конечном счете их было бы достаточно, чтобы заполнить собой все небо.
Если бы все звезды походили на Солнце, каждую точку неба заполнял бы их свет. Даже если отдельная далекая звезда светится слабо, есть и другие, расположенные на небосводе вплотную к ней. И если сложить свет всех звезд, его получилось бы столько же, сколько дает Солнце, а все ночное небо сияло бы так же ярко, как оно.
Но видно же, что это не так. Парадокс темноты ночного неба был отмечен Иоганном Кеплером еще в XVII веке, но окончательно сформулирован в 1823-м немецким астрономом Генрихом Ольберсом. Разрешение парадокса приводит к глубоким последствиям. Их существует несколько, и каждое содержит элементы истины, осознанной и принятой современными астрономами. И все-таки поразительно, что столь простое наблюдение может сказать нам так много.
Конец и край
Первое объяснение выглядит так: вселенная не бесконечна. Где-то у нее есть край. И значит, число звезд в ней ограничено и далеко не каждая линия зрения должна упираться в звезду. Точно так же, стоя у опушки леса или просто в маленькой рощице, можно видеть то, что лежит за ней.
Другое объяснение может состоять в том, что чем дальше от нас, тем меньше становится звезд, поэтому суммарный их свет не так уж и ярок. Свет распространяется с конечной скоростью, стало быть, от далеких звезд он идет к нам дольше, чем от близких. Свет Солнца доходит до нас за 8 минут, свет ближайшей к нам звезды Альфы Центавра — за 4 года, а свет звезд, находящихся на другой стороне нашей Галактики, — за 100 тысяч лет. Свет же ближайшей к нам галактики, Андромеды, добирается до нас 2 миллиона лет; это самый далекий объект, какой мы можем разглядеть невооруженным глазом. Чем дальше проникаем мы взглядом во вселенную, тем более раннее время видим, и далекие звезды выглядят более молодыми, чем те, что близки к нам. А если далеких юных звезд становится меньше, чем близких, подобных Солнцу, это помогает разрешить парадокс Ольберса. Звезды вроде Солнца живут 10 миллиардов лет (у тех, что размером больше, жизнь короче, у тех, что меньше, длиннее), поэтому конечность существования звезд также объясняет парадокс. Если уйти еще дальше молодых звезд, свету придется проходить расстояния еще большие и мы окажемся во времени, когда звезд и вовсе не было. Они же не вечны.
Далекие звезды могут светиться слабее, чем Солнце, еще и по причине красного смещения. Расширение вселенной растягивает световые волны, отчего свет далеких звезд представляется более красным. Поэтому далекие звезды кажутся нам более холодными, чем близкие. А это также ограничивает количество света, доходящего до нас от окраинных частей вселенной. Выдвигались идеи и совсем дикие, например: свет дальних звезд блокируется мусором, оставленным в космосе другими цивилизациями, — ну там железными опилками или какой-нибудь серой пылью. Однако любой поглощенный свет всегда испускается в виде тепла, а значит, в какой-то части спектра он все равно должен присутствовать. Астрономы просмотрели свет ночного неба на всех длинах волн, от радиоволн до гамма-лучей, и никаких свидетельств блокирования света видимых звезд не обнаружили.
Середина вселенского пути
Итак, простое наблюдение, что ночью небо темное, говорит нам о том, что вселенная не бесконечна. Она просуществовала ограниченное количество времени, она ограничена в размерах, а звезды ее не вечны.
На этом и основана современная космология. Возраст самых старых из наблюдаемых нами звезд составляет около 13 миллиардов лет, из чего мы делаем вывод, что вселенная должна была образоваться за какое-то время до этого срока. Парадокс Ольберса подсказывает, что время это было не велико, иначе мы видели бы многие предыдущие поколения звезд, а мы их не видим.
Свет звезд в далеких галактиках действительно краснее света звезд ближних — это и затрудняет их нахождение с помощью оптических телескопов, и подтверждает расширение вселенной. Самые далекие из известных сейчас галактик красны настолько, что уже и невидимы, их можно обнаружить лишь в инфракрасной части спектра. Все это говорит в пользу идеи Большого взрыва, с которого 14 миллиардов лет назад началась вселенная.
Тьма небесная
Из-за свечения наших городов увидеть темной ночью красоту ночного неба становится все труднее. На протяжении всей истории человечества люди могли смотреть ясными ночами в небо и видеть раскинувшийся по нему звездный становой хребет. Его назвали Млечным Путем, а теперь мы, глядя на него, понимаем, что перед нами — центральная плоскость нашей Галактики. Пятьдесят лет назад даже в больших городах можно было полюбоваться и Млечным Путем, и самыми яркими звездами, но теперь их из городов почти не увидишь, да и за городом небо купается в желтоватой дымке. Картина, вдохновлявшая до нас многие поколения, становится неразличимой. И главные виновники этого — натриевые уличные фонари, в особенности те, что попусту расходуют свет, отбрасывая его не только вниз, но и вверх. По всему миру возникают объединения людей наподобие Международной ассоциации темного неба (в состав которой входят и астрономы), выступающих за то, чтобы обуздать световое загрязнение и сохранить за нами возможность видеть вселенную.
Эврика!
В 1848 году Эдгар Аллан По написал поэму в прозе «Эврика», в которой говорится:
«Если бы непрерывность звезд была бесконечна, тогда бы заднее поле неба являло нам единообразную светимость, подобную исходящей от Млечного Пути, — ибо безусловно не было бы точки, на всем этом заднем поле, где не существовало бы звезды. Единственный способ поэтому, при таком положении вещей, понять пустоты, что открывают наши телескопы в бесчисленных направлениях, предположить, что рассеяние от незримого заднего поля так несметно, что ни один его луч доселе совершенно не мог нас достигнуть».