Свет, как и звук, тоже имеет волновую природу и представляет собой колебания (или волны) электромагнитного поля. Интервал частот, воспринимаемых человеческим глазом (видимая область спектра), лежит между красным светом с длиной волны 740 нм (нанометров, или миллиардных долей метра) и фиолетовым светом с длиной волны 400 нм. Длинноволновое инфракрасное излучение мы воспринимаем как тепло, распространяющееся от нагретых тел, а наибольшей длиной волны обладают радиоволны, лежащие в крайней правой части электромагнитного спектра. Область коротких волн представлена ультрафиолетовым, рентгеновским и гамма-излучением (по мере уменьшения длины волны). Таким образом, и гамма-лучи, и видимый свет, и радиоволны являются по своей физической природе электромагнитным излучением и различаются между собой только лишь длиной волны, или частотой колебаний в секунду. Чем выше частота колебаний, тем меньше длина волны, и наоборот.
В оптическом диапазоне наибольшую длину волны имеет красный свет, следом идут оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый – самый коротковолновый в видимой области спектра. Если источник света движется по направлению к нам, то расстояние между гребнями следующих друг за другом волн уменьшится, а частота колебаний соответственно возрастет. В результате все линии сместятся к фиолетовому концу спектра на одну и ту же величину. Можно сказать, что свет приближающейся к нам звезды немного поголубеет. При удалении объекта от наблюдателя возникает противоположная картина: интервал между гребнями волн увеличивается, а частота колебаний падает. Линии смещаются в красную часть спектра, и свет улетающей звезды приобретает красноватый оттенок. Таким образом, в первом случае мы имеем фиолетовое смещение, а во втором – красное. Величину смещения сравнивают с положением линий в спектре неподвижного источника.
Вестон Слайфер проанализировал спектры 40 галактик и пришел к выводу, что большая их часть от нас удаляется, причем с очень большими скоростями – порядка сотен и даже тысяч километров в секунду. Этот факт его весьма заинтриговал, поскольку куда естественнее было бы обнаружить хаотичный разброс в направлении их скоростей. Если вы 40 раз подбросите монету, крайне маловероятно, что она 35 раз подряд упадет орлом вверх. Такие фокусы просто-напросто запрещены теорией вероятностей. И чем больше измерений проводил Слайфер, тем более странная складывалась картина, ибо величина красного смещения раз от раза росла. Положение усугублялось тем, что американский астроном, как мы помним, понятия не имел о внегалактической природе своих объектов: он считал их туманностями, расположенными в нашей Галактике.
Когда в середине 20-х годов прошлого века удалось доказать, что туманности Слайфера в действительности не что иное, как огромные звездные острова, лежащие далеко за пределами Млечного Пути, дышать стало полегче. Коль скоро у объекта обнаруживаются сразу два необычных свойства – аномальная скорость и нетипичное местоположение, – можно рассчитывать, что между ними существует какая-то связь. Работу Слайфера продолжили другие астрономы, и через короткое время у них в руках уже был внушительный список внегалактических туманностей с различными показателями красного смещения. Впервые удача улыбнулась в 1929 году нашему старому знакомцу Эдвину Хабблу, который вообще-то был юристом по образованию, а астрономией увлекся позже. Сравнивая между собой скорости галактик, он обнаружил простую закономерность: чем дальше та или иная галактика расположена, тем быстрее она от нас удаляется. Другими словами, скорости галактик прямо пропорциональны их расстоянию от земного наблюдателя, что выражается соотношением V = Hr, где V – скорость удаления, r – расстояние от галактики до Земли, а Н – коэффициент пропорциональности, впоследствии получивший название постоянной Хаббла по первой букве его фамилии (Hubble).
Надо сказать, что Хабблу крупно повезло. Свой закон он вывел из наблюдения за галактиками, отстоящими от нас всего на 1–2 миллиона парсек (мегапарсек, или Мпк), тогда как сегодня известно, что на таких сравнительно небольших расстояниях его закон работает, мягко говоря, неважно, поскольку близкие галактики «повязаны» силами гравитации. Предположив, что самые яркие звезды других галактик (сверхновые и новые) имеют примерно одинаковую светимость, он сравнивал их усредненную абсолютную звездную величину с видимым блеском и в результате получил очень большую величину коэффициента – порядка 400–500 километров в секунду на мегапарсек. Вдобавок, в то время расстояния до ближайших галактик были вычислены очень неточно: когда в середине прошлого века пересмотрели шкалу межгалактических расстояний, ближайшие галактики пришлось отодвинуть вдвое дальше, а самые далекие увеличили свой «отрыв» в 6–7 раз. Стоит ли после этого удивляться, что Хаббл ошибся в своих расчетах почти на порядок? Сегодняшнее значение его постоянной, вычисленное на основе современных методик и с помощью весьма чувствительной аппаратуры вроде орбитального зонда Уилкинсона, составляет 71 километр в секунду на мегапарсек.
Следует иметь в виду, что галактики движутся хаотически, в самых разных направлениях, в том числе и поперек луча зрения. Понятно, что такие собственные их скорости, получившие название пекулярных, не должны приниматься во внимание. Закон Хаббла работает только с радиальными скоростями, усредненными по большому числу галактик, находящихся на одинаковом расстоянии от нас. Именно по этой причине он практически не годится для близких галактик, так как их лучевые скорости сравнительно невелики. Поэтому необходимо отделить скорость, обусловленную хаббловским удалением, от индивидуальной (пекулярной) лучевой скорости, которая может быть весьма значительной. Например, Местная группа летит как единое целое в сторону скопления Центавра со скоростью свыше 600 километров в секунду. А вот чем дальше находится та или иная галактика, тем больше ее хаббловская лучевая скорость и тем меньший вклад в ее значение вносит индивидуальная скорость галактики. Таким образом, надежнее всего закон Хаббла выполняется на расстояниях свыше 200 Мпк (200 миллионов парсек), а для определения расстояний до близких галактик лучше пользоваться цефеид ной шкалой.
Казалось бы, самые точные значения расстояний закон Хаббла должен давать для самых далеких галактик, однако это не совсем так. Дело в том, что величина красного смещения у далеких объектов настолько значительна, что при расчетах дает скорость удаления, превышающую скорость света. Поэтому в расчет скоростей наиболее удаленных объектов (например, квазаров) нужно вносить поправки, предусмотренные специальной теорией относительности, и тогда формула приобретает более сложный вид (мы ее приводить не станем). Постоянная Хаббла – фундаментальная константа, и важность ее дальнейшего уточнения очевидна, поскольку она теснейшим образом связана с возрастом нашей Вселенной. Если мысленно «прокрутить» движение галактик вспять, мы придем к такому моменту, когда расстояние между ними было ничтожно малым. Вся материя стянется в точку, и Вселенная прекратит свое существование в нынешнем виде. Собственно говоря, исследования Хаббла вместе с работами Фридмана, Ситтера и других теоретиков послужили отправной точкой для создания модели Большого взрыва, согласно которой у нашего мира было начало во времени. По современным данным, возраст Вселенной оценивается в 13,7 миллиарда лет.
Между прочим, из хаббловского закона проистекает любопытное соображение мировоззренческого характера. Поскольку скорость света – максимальная из всех возможных скоростей, должны существовать объекты, удаленные от нас настолько далеко, что свет, ими испущенный, никогда не достигнет земного наблюдателя. Другими словами, у астрономических наблюдений на волнах любой длины имеется некий физический предел, за который проникнуть в принципе невозможно. Неумолимые законы природы очерчивают доступную нашим приборам область идеально пустой, но непреодолимой границей, поэтому совершенно бессмысленно спрашивать, есть за роковым рубежом какие-либо объекты или их там нет. Мы их все равно никогда не увидим, ибо горизонт событий – очень важное понятие в космологии – отсекает родное «наше» от проклятого мира чистогана куда надежней железного занавеса советских времен. «Там, под облаками, – вечность», – говорил герой Сент-Экзюпери, пролетая за штурвалом ветхой этажерки над слоем сплошной облачности, под которым громоздились скалистые ребра Пиренейских гор.
