Перша лекція. Уявлення про Всесвіт
Ще в 340 р. До н.е. е. Аристотель у творі «Про небі» сформулював два вагомих доводи на користь того, що Земля скоріше кругла, як куля, ніж плоска, як тарілка. По-перше, він усвідомив, що місячні затемнення виникають через проходження Землі між Сонцем і Місяцем. Тінь Землі на Місяці завжди кругла, а таке можливе, тільки якщо Земля має сферичну форму. Будь наша планета плоским диском, тінь її була б витягнутої, еліптичної, за винятком тих випадків, коли в момент затемнення Сонце розташовується прямо над центром диска.
По-друге, з досвіду подорожей стародавні греки винесли, що в південних країнах Полярна зірка стоїть нижче над горизонтом, ніж в тих, що лежать ближче до півночі. З різниці видимих положень Полярної зірки в Греції і Єгипті Аристотель навіть вивів наближене значення окружності Землі - близько 400 тис. Стадій. Ми не знаємо точно, чому дорівнював давньогрецький стадій. Можливо, він становив близько 180 м. Тоді оцінка Аристотеля приблизно вдвічі перевершує прийняте нині значення.
У стародавніх греків був і третій аргумент на користь кулястості Землі: чому б ще спостерігач на березі спочатку помічав над горизонтом парус наближається корабля, а лише потім - його корпус? Аристотель вважав, що Земля нерухома, а Сонце, Місяць, планети і зірки
рухаються навколо неї по кругових орбітах. Він вважав так, оскільки в силу містичних міркувань був переконаний, що Земля - центр Всесвіту, а круговий рух - найдосконаліше.
ВІ в. н. е. Птолемей розвинув ці ідеї в цілісну космологічних моделях. Земля розташовувалася в центрі, оточена вісьмома сферами, що несуть на собі Місяць, Сонце, зірки і п'ять відомих в той час планет (Меркурій, Венеру, Марс, Юпітер і Сатурн). Планети переміщалися по малим колами, закріпленим на відповідних сферах, що було потрібно для пояснення їх вельми складних спостережуваних рухів по небосхилу. На зовнішній сфері розміщувалися так звані нерухомі зірки, які завжди залишаються в однаковому положенні відносно один одного, але все разом здійснюють круговий рух по небу. Що лежить за межами зовнішньої сфери, залишалося неясним, ця область Всесвіті не була доступна для спостережень.
Модель Птолемея дозволяла з достатньою точністю передбачати видимі положення небесних тіл. Але для цього довелося допустити, що Місяць, рухаючись по своїй траєкторії, в окремі моменти підходить до Землі вдвічі ближче, ніж в інші. А це означало, що періодично Місяць повинна здаватися вдвічі більше звичайного. Птолемей знав про цей недолік, проте його модель була прийнята якщо не всіма, то абсолютною більшістю. Вона була схвалена християнською церквою, як картина світу, що узгоджується зі Святим Письмом. Великою перевагою в очах богословів було те, що ця модель залишала за межами сфери нерухомих зірок досить місця для раю і пекла.
Проте в 1514 польський канонік Микола Коперник запропонував набагато простішу космологічні теорію. Спочатку, побоюючись звинувачень у єресі, він оприлюднив свою модель анонімно. Він вважав, що в центрі розташовується
нерухоме Сонце, а Земля і інші планети обертаються навколо нього по кругових орбітах. На жаль для Коперника, пройшло майже сторіччя, перш ніж його ідеї були прийняті всерйоз. Лише тоді два астронома - німець Йоганн Кеплер і італієць Галілео Галілей - публічно виступили на підтримку теорії Коперника, незважаючи на те що передбачаються нею руху не цілком збігалися з спостерігаються. Теорія Аристотеля-Птолемея фактично «померла» лише в 1609 р Того року Галілей приступив до вивчення нічного неба за допомогою недавно винайденого телескопа.
Спостерігаючи Юпітер, Галілей помітив, що планету супроводжують кілька невеликих супутників (лун), які обертаються навколо неї. Це перекидало переконання Аристотеля і Птолемея, що всі небесні тіла обертаються безпосередньо навколо Землі. Звичайно, можна було і раніше вважати, що Земля спочиває в центрі Всесвіту, а супутники Юпітера рухаються навколо неї по виключно складних траєкторіях, що створює видимість їх обертання навколо Юпітера. Однак теорія Коперника була набагато простіше.
Приблизно в цей же час Кеплер розвинув модель Коперника, припустивши, що планети рухаються не по кругових, а по еліптичних орбітах. Передбачення теорії тепер остаточно збіглися зі спостереженнями. Однак сам Кеплер розглядав еліптичні орбіти як штучну гіпотезу, до того ж дуже прикру, тому що еліпс - фігура не настільки досконала, як крутий. Відкривши (майже випадково), що еліптичні орбіти відповідають спостереженням, Кеплер не міг узгодити це зі своєю ідеєю, що планети обертаються навколо Сонця під дією магнітних сил.
Ньютон показав, що, згідно з її законодавством, тяжіння змушує Місяць звертатися по еліптичній орбіті навколо Землі, а Землю і всі інші планети - слідувати по еліптичних траєкторіях навколо Сонця. Модель Коперника наклала на себе небесними сферами Птолемея, а заодно і з уявленням про те, що Всесвіт має якусь природну кордон. Так звані нерухомі зірки не змінюють свого взаємного положення при русі Землі навколо Сонця. Тому сама собою напрошувалася думка, що це об'єкти, подібні до нашого Сонця, але розташовані набагато далі. І це породжувало питання. Ньютон розумів, що, згідно з його власної теорії тяжіння, зірки повинні притягатися між собою, а отже, не можуть залишатися абсолютно нерухомими. Чому ж тоді вони не впадуть один на одного, зібравшись в одну точку?
У нескінченній Всесвіту кожна точка може вважатися центральної, оскільки в будь-якому напрямку від неї знаходиться нескінченне число зірок. Правильний підхід, як стало ясно набагато пізніше, полягає в тому, щоб розглядати кінцеву область, в якій всі зірки притягуються один до одного. Але тоді можна поставити питання, що ж зміниться, якщо додати зірок, розподіливши їх приблизно рівномірно за межами цієї області. Відповідно до закону Ньютона ці додані зірки не змінять нічого і зірки в обмеженій області будуть наближатися один до одного з колишньою швидкістю. Можна додати скільки завгодно зірок - колапс буде неминучий. Сьогодні ми знаємо, що неможливо побудувати нескінченну стаціонарну модель Всесвіту, в якій гравітація завжди надає притягає ефект.
І ось цікава особливість загального способу мислення до XX в. ніхто не припускав, що Всесвіт розширюється або стискається. Було прийнято вважати, що вона або існувала вічно в незмінному вигляді, або була створена колись в минулому приблизно такою, якою ми бачимо її сьогодні. Частково такі уявлення могли бути обумовлені схильністю людей вірити в вічні істини і знаходити розраду в думки, що Всесвіт не змінюється, нехай самі вони старіють і вмирають.
Навіть розуміли, що теорія тяжіння Ньютона не допускає існування стаціонарного Всесвіту, не заходили настільки далеко, щоб припустити можливість
її розширення. Замість цього вони намагалися підправити теорію, припускаючи, що на дуже великих відстанях гравітаційна сила відштовхує тіла один від одного. Це майже не позначалося на прогнозах руху планет, але дозволяло зрівноважити нескінченне розподіл зірок за рахунок того, що тяжіння між близькими зірками компенсувалося відвернути між далекими.
Однак тепер ми знаємо, що таке рівновага була б нестійким. Варто зірок в невеликій області Всесвіту трохи зблизитися, як сили тяжіння почнуть переважати над силами відштовхування. У підсумку зірки продовжать зближуватися один з одним. З іншого боку, якщо зірки кілька розійдуться, візьмуть гору сили відштовхування, які змусять зірки «розбігатися» все далі.
Уникнути висновку про те, що все нічне небо повинно бути настільки ж яскравим, як поверхня Сонця, можна, тільки припустивши, що зірки не світили вічно, а запалилися в якийсь кінцевий момент в минулому. В цьому випадку міжзоряне матерія, можливо, ще не встигла розжаритися до високих температур або світло самих далеких зірок поки що не досяг нашої планети. І це підводить нас до питання про те, що ж могло послужити причиною початкового загоряння зірок.
Зрозуміло, люди здавна міркували про зародження Всесвіту. Відповідно до цілим рядом ранніх космології іудейського, християнського і мусульманського віровчень Всесвіт виник в кінцевий, причому відносно недавній, момент минулого. Одним з аргументів на користь такого початку було переконання, що пояснити існування Всесвіту можна лише за допомогою першопричини.
В ті часи, коли більшість людей вірило в стаціонарну і незмінну Всесвіт, питання про те, чи мала вона початок чи ні, належав до області метафізики і теології. Відповіді пропонувалися найрізноманітніші. Хтось вірив, що Всесвіт існує вічно, інші вважали, що вона була приведена в рух в якийсь кінцевий момент часу, причому таким чином, щоб складалося враження, ніби вона була вічно. Але в 1929 році американський астроном Едвін Хаббл зробив епохальне відкриття, виявивши, що, куди не зверни погляд в космосі, далекі зірки стрімко віддаляються від нас. Іншими словами, Всесвіт розширюється. Це означало, що в далекому минулому небесні тіла знаходилися набагато ближче один до одного. Складалося враження, що близько 10 або 20 млрд років тому всі вони перебували в одній точці простору.
Це відкриття остаточно перенесло питання про виникнення Всесвіту в сферу науки. Спостереження Хаббла припускали, що в минулому існував момент часу, званий Великим Вибухом, коли Всесвіт була укладена в нескінченно малому обсязі і, отже, мала нескінченно велику щільність. Якщо якісь події і відбувалися до того, вони не могли вплинути на те, що відбувається нині. Ними дозволено знехтувати, тому що це не матиме ніяких доступних для огляду наслідків.
Можна сказати, що в момент Великого Вибуху почалося саме час, в тому сенсі, що ніяких попередніх часів встановити не можна. Необхідно підкреслити, що це початок часу сильно відрізняється від всього, що розглядалося раніше. В незмінною Всесвіту початок часу - це щось нав'язується чимось знаходяться за межами Всесвіту. Немає ніякої фізичної необхідності в такому початку. Можна просто вірити, що Бог створив Всесвіт буквально в будь-який з моментів минулого. З іншого боку,
якщо Всесвіт розширюється, то можуть існувати фізичні причини того, чому має бути початок. Можна вважати, що Бог створив Всесвіт в мить Великого Вибуху. (Або пізніше, але таким чином, щоб здавалося, ніби стався Великий Вибух.) Однак було б безглуздо думати, ніби Всесвіт створений до Великого Вибуху. Розширюється Всесвіт не скасовує можливості існування Творця, але обмежує Його діяльність деякими тимчасовими рамками.