Чому вночі небо темне?
Ось ще один з тих на перший погляд простих запитань, якими вчені задавалися здавна і які призвели до дивним і досить глибоким відповідей. Вирісши в світі, де природний колір нічного неба - темний (якщо тільки ми не живемо за Полярним колом), більшість з нас напевно відповість питанням на питання: а чому б нічному небу же не бути темним? Коли очевидне джерело світла - Сонце - ховається за горизонтом, чи варто дивуватися, що, піднявши очі до неба, ми бачимо бездонну чорноту, розбавлену лише крупинками зірок і час від часу, звичайно, Місяцем. (Обговорення цікавою подробиці, що з Місяця навіть при наявності Сонця небо все одно здається чорним, залишимо на інший раз.)
Коли це питання було задано вперше, люди вірили, що Всесвіт нескінченно велика і містить нескінченну кількість зірок. Якби справа була тільки в цьому, то, звідки б ви не подивилися в нічне небо, лінія вашого погляду - пряма, проведена від вашого очі далеко в космос, - обов'язково наразилася б в поверхню якої-небудь зірки. Це все одно що намагатися озирнутися в лісі з безліччю дерев, понатикали у випадковому порядку. Куди б ви не подивилися, лінія огляду неминуче виявиться закрита дерев'яним стволом.
Отже, якщо з будь-якої точки Землі лінія вашого погляду впирається в зірку, логічно вважати, що все нічне небо повинно бути настільки ж світлим і яскравим, як поверхня зірки. Ви можете заперечити на це наглядом, що «чим зірки далі, тим менше світла вони дають». Загальна світність зірки дійсно зменшується з відстанню, але це тому, що і диск зірки, який ми бачимо, набагато менше, ніж він є насправді. Будь-яка точка на поверхні зірки, видимої з Землі, світиться дуже яскраво, але, оскільки диск зірки дуже малий, таких «точок» в сумі видно трохи, і загальна яскравість зірки не так вже й велика. Втім, будь Всесвіт нескінченної, ви бачили б точки зіркових поверхонь всюди, куди не глянь, і небо ночами сяяло б сліпучим світлом.
У XIX столітті, в ті часи, коли наукові знання ще не стали вотчиною одних тільки вчених і фанатів самоосвіти, американський поет і прозаїк Едгар Аллан По настільки зацікавився парадоксом нічного неба, що висунув своє пояснення і включив його в твір, яке він сам називав віршем в прозі:
«Будь низка зірок нескінченної, театральний задник небесних декорацій являв би собою суцільне світіння, немов би Галактика вирішила перед нами похвалитися - не було б жодної точки на всьому протязі неба, де не знайшлося б зірки. Виходячи з цього, єдиний спосіб осягнути при такому положенні справ існування пустот, які виявляються нашими телескопами в незліченних напрямках, це припустити, що товщина невидимого небесного задника настільки немислима, що жоден промінь світла не здатний пробитися до нас крізь нього »[16].
І що в цих міркуваннях не так? Та ні, взагалі-то все вірно. У нескінченно великий Всесвіту з нескінченно великим числом випадково розкиданих в просторі зірок нічне небо сліпуче виблискувало б. Значить, потрібно розібратися, яке з вихідних припущень помилково. А може, світло багатьох далеких зірок приглушений зустрілася йому на шляху зоряним пилом? - запитаєте ви. Але пил не в змозі повністю затьмарити зоряний світ. У міжзоряному просторі дійсно є пил, проте на практиці вона нагрівається від світла зірок і частково відображає його, так що загальна кількість світла не змінюється. Що стосується вчених, вперше торкнулися цю тему, серед них найбільш відомий англійський астроном Едмунд Галлей (1656-1742), чиє ім'я отримала комета, але лаври людини, першим сформулював парадокс нічного неба, дісталися німецькому астроному і фізику Генріху Вільгельму Ольберс (1758-1840 ): «Всесвіт нескінченно величезна і разом з тим нескінченно стара. Будь-які спроби обмежити її в часі і просторі занадто сковують це Боже творіння. Можливо, нам варто пожертвувати одним або обома цими припущеннями - нескінченністю розмірів і нескінченністю віку, і тоді ми зможемо розгадати таємницю чорноти нічного неба ».
Ми, як і сучасна наука, дотримуємося теорії, що Всесвіт виник 13-15 мільярдів років тому в результаті Великого вибуху (див. Розділ «Всесвіт - це вам не сарай»). Утворившись з однієї-єдиної точки, Всесвіт розширювався, спершу дуже стрімко, а потім повільніше. Вона продовжує розширюватися і до цього дня, і «кордон» її зараз пролягає приблизно в 13-15 мільярдів світлових років від нас. Можливо, нічна темрява пояснюється тим, що там, за цією межею, немає зірок, які могли б додати нічному небу світла, як якщо б частокіл дерев, про які я згадував трохи раніше, закінчувався в двадцяти кілометрах від нас, і нам було б видно пробиваються з того боку лісу вузькі смужки світла.
Що ж, непогана спроба пояснити нічну темряву, але один англійський математик довів, що навіть при обмежених розмірах нашого Всесвіту в ній і до передбачуваної кордону цілком достатньо зірок, щоб забезпечити нам щоночі яскраву ілюмінацію. Так що доведеться шукати інше пояснення.
Ідея про розширення Всесвіту отримала визнання лише до кінця першої третини XX століття. Попутно з цим вчені прийшли ще до цілого ряду висновків: наприклад, що зірки, що віддаляються від спостерігача, здаються менш яскравими завдяки ефекту Доплера (див. Розділ «Нечесно по відношенню до Бёйс-Баллот?»). Як і у випадку зі зміною частоти звуку, видаваного рухомим джерелом, спектр світла зірки змінюється в залежності від швидкості руху, а світло від віддаляється зірки зміщується в бік червоної частини спектра. Очі ссавців в ході еволюції стали максимально чутливі до діапазону кольорів, що утворюють в сукупності білий світ, а при зміщенні зоряного світла в сторону червоного деякі з квітів спектра випадають, тому світло здається менш яскравим. Так що одна з причин того, що нічний небо не таке світле, як могло б бути, можливо, пов'язана з ефектом Доплера: швидко рухомі зірки, які начебто повинні бути настільки ж яскравими, що і розташовані ближче і рухомі повільніше, на ділі виглядають значно тьмяніше.
Мабуть, одного цього пояснення вистачило б, якби нові дані про Великий вибух і розширенні Всесвіту не додали до загальної картини ще один фактор. Великий вибух явно був дуже яскравим завдяки величезній енергії, яка, як ми знаємо, була зосереджена в одній точці. Так хіба в нічному небі до цього дня не повинні бути видні сліди того світіння? Як з'ясувалося, виявити світлове «відлуння» Великого вибуху (див. Розділ «Всесвіт - це вам не сарай») дійсно можливо, але, як і в випадку із зоряним світлом, ефект Доплера, викликаний стрімким розширенням Всесвіту, змінив відтінок відсвітів тієї давньої спалаху , в результаті чого світлові хвилі виявилися далеко за червоним кордоном спектра: вони тепер не видно оком і фіксуються тільки як мікрохвильове випромінювання.
Оманливе просте запитання, сформульований в 1823 році Генріхом Вільгельмом Ольберсом, за два минулі століття привів вчених, що жадали знайти відповідь, до цілій низці нових відкриттів, так таких, про які Ольберс не міг і мріяти.