Эмпирическое открытие расширения Вселенной

Как известно, каждый химический элемент имеет свой индивидуальный спектр поглощения и излучения в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра. Можно сказать, что спектр электромагнитного излучения является «визитной карточкой» данного элемента в атомарном или ионизованном состояниях. Этим обстоятельством и пользуются в земных лабораториях для качественного и количественного спектрального анализа веществ.

Если источник излучения движется по отношению к наблюдателю с его спектрографом, то вступает в действие эффект Доплера. Он заключается в том, что частота и длина волны регистрируемого излучения зависит от величины отношения скорости движения источника излучения к фазовой скорости волны.

Для электромагнитных излучений фазовая скорость в вакууме равна скорости света, и формула Доплера имеет вид

где v* - частота линии излучения, регистрируемая в случае подвижного источника;

v₀ — частота линии излучения в случае неподвижного источника; V — скорость движения источника по отношению к приемнику; с — скорость света.

В формуле (47) значение скорости V считают положительной величиной в случае удаления источника от приемника, в противоположном случае — отрицательной. В первом случае частота уменьшается, а длина волны увеличивается и положение линии излучения смещается в длинноволновую область, ближе к красной границе видимого спектра. Именно в этом случае говорят о «красном» смещении всех линий в спектре излучения. Когда В. Слейфср и позднее Э. Хаббл измеряли смещения положений линий в спектрах других галактик, они в большинстве случаев наблюдали красное смещение.

Если мы наблюдаем вращающуюся галактику «с ребра», то с одного края звезды и газ удаляются от нас, с противоположного края вещество галактики приближается к нам. В результате этого каждая спектральная линия расширяется как в сторону низких частот, так и в сторону высоких. Поэтому полное уширение линии позволяет рассчитать значение максимальной орбитальной скорости вещества в галактике (в дополнение к информации о скорости удаления галактики в целом). Значение максимальной орбитальной скорости легко определить, используя формулу (47) и зная величину разности частот v | и v ₂ (рис. 74).

Рис. 74. Красное смещение и уширение линий в спектре галактики

Э. Хаббл разработал методику определения расстояний до далеких галактик и сопоставил величины красных смещений (пропорциональных скорости удаления) с величиной расстояния до данной галактики. В 1929 г. он опубликовал результаты сравнения данных для многих галактик, из которых следовало, что чем дальше расположена галактика, тем больше величина красного смещения линий в ее спектре (рис. 75).

Рис. 75. Зависимость скорости удаления галактики от расстояния до нее

Физически это означало, что существует прямая пропорциональная зависимость между расстоянием до галактики и скоростью ее удаления от нашей Галактики. Здесь скорость выражена в метрах за секунду (м/с), а расстояние — в единицах измерения традиционных для астрономии, то есть в мегапарсеках (Мпс). Для перевода в более привычную метрическую систему мер можно использовать следующие соотношения между астрономическими единицами:

• 1 Мпс = 3,26 св. г.,
• 1 св. г. = 9,5−10¹⁵ м.

Некоторое отклонение от линейной зависимости, наблюдаемое для ряда близких галактик, связано с их движением в рамках Местного сверхскопления или Местной группы галактик, о котором говорилось выше.

Открытый Хабблом закон можно записать в виде.

где V — скорость удаления галактики;

R — расстояние до данной галактики;

Н — постоянная Хаббла.

Угол наклона графика зависимости V® позволяет оценить величину постоянной Хаббла. По современным данным, численное значение Н лежит в интервале от 68 до 70 км/(с-Мпс).

Публикуя статью, Э. Хаббл считал, что его данные согласуются с общепринятым в то время положением о стационарности Вселенной. И даже много позднее он не признал, что его открытие привело к революционной ломке многих прежних представлений.

Самое главное заключается в том, что взаимное разбегание галактик свидетельствует о расширении всего видимого объема Вселенной. Чтобы пояснить физическую ситуацию, рассмотрим механическую аналогию. Допустим, Вы имеете резиновую ленту с нанесенными на нее сантиметровыми делениями. Прижмите начало ленты к столу и начните растягивать ленту за другой конец. При растягивании ленты вдвое за одно и то же время расстояние между первой и второй метками возрастет на 1 см, третья метка продвинется от первой на 2 см, четвертая — на 3 см и так далее (рис. 76).

Рис. 76. Растяжение эластичной ленты с равномерными делениями

Очевидно, что чем дальше от начала ленты находится метка, тем больше будет ее скорость по отношению к выбранной первой. Ведь по определению скорость равна расстоянию, проходимому за данное время. При этом будет выполняться линейная зависимость скорости от начального расстояния до точки наблюдения.

Другой аналогией, по-видимому, лучше соответствующей сути, может быть «опыт» с изюминками в равномерно поднимающемся тесте. По мере его расширения расстояние между изюминками (метками) будет линейно возрастать. Неважно, какую из изюмин принять за начало координат, результат будет одним и тем же.

Иногда говорят, что Николо Коперник «сдвинул с места Землю», подразумевая революционную смену гсоцснтристской точки зрения на новую, гелиоцентристскую. Эдвин Хаббл «сдвинул с места» Вселенную!