№02 февраль 2023

Портал функционирует при финансовой поддержке Министерства цифрового развития, связи и массовых коммуникаций.

Так почему же ночью небо тёмное?

Вопрос лишь на первый взгляд кажется детским. На самом деле ответ на него требует понимания устройства нашей Вселенной не только в космологическом смысле, но и в «просто» физическом. Именно поэтому над ним размышляли многие исследователи прошлого. Пожалуй, на этом парадоксе можно было тестировать космологические воззрения.

Строение Вселенной по Копернику из работы Томаса Диггеса «Совершенное описание небесных сфер» (1576). Надпись на внешней сфере начинается с «Эта сфера звёзд простирается бесконечно во всех направлениях. Нерушимый дворец счастья украшен бесчисленными, вечными и великолепными огнями, превосходящими наше Солнце по количеству и качеству…» Иллюстрация: Wikimedia Commons/PD.
Крупномасштабная структура Вселенной в инфракрасных лучах с длиной волны 2,2 мкм по результатам обзора всего неба в рамках программы 2MASS. Цветом показана яркость около 1 600 000 галактик (синий — самые яркие, красный — самые тусклые). Тёмная полоса — убранный Млечный Путь. Видно, что на больших масштабах Вселенная однородна. Иллюстрация: 2MASS/T. H. Jarrett, J. Carpenter, & R. Hurt.
Титульный лист пятого издания (1861) книги Иоганна фон Медлера «Чудо Вселенной, или популярная астрономия», где он излагает близкое к современному объяснение фотометрического парадокса.
Изображение дальнего космоса, полученное космическим телескопом «Хаббл». Угловой размер изображения 3,10 x 3,10 угловых минут, чуть больше 1% площади полной Луны. Иллюстрация: NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee, and P. Oesch, University of California, Santa Cruz; R. Bouwens, Leiden University; and the HUDF09 Team.
Фото Андрея Лисинского,

Средневековые европейские астрономы полагали, что видимые звёзды, которых не так уж и много, зафиксированы на далёкой вращающейся «сфере неподвижных звёзд». Она всё ещё присутствует даже в трудах Николая Коперника (1473—1543). В то время ответ на поставленный вопрос был очевиден: эти звёзды просто давали мало света.

Развитие астрономии привело к отказу от этой сферы, причём окончательно лишь в XVIII веке. Астрономы вернулись к забытым было представлениям древних о бесконечной Вселенной. Аргументы в её пользу можно найти, например, у Лукреция (I век до н. э.). Вот тут и начались сложности. Бесконечное число звёзд должно было заставить небо всё время ярко светиться, ведь куда ни посмотри, наткнёшься на звезду. Как в лесу взгляд повсюду натыкается на деревья. Расчёты показали, что поверхностная яркость неба должна быть не меньше солнечной! Но этого не наблюдалось. Мы видим чёрное небо с точками звёзд. Так появился фотометрический парадокс, который также называют парадоксом Ольберса или Шезо — Ольберса. Жану Шезо принадлежит первая полная и чёткая его формулировка (1744), но задумывались над этой проблемой и ранее.

Отметим английского астронома Томаса Диггеса (1546—1595), который, похоже, первым поставил такой вопрос. Он полагал, что число звёзд бесконечно, но наблюдаем мы лишь конечное их число. Остальные находятся слишком далеко и крайне слабы для наблюдений. В то время это казалось очевидным. Даже известный астроном Эдмунд Галлей, прославившийся исследованием комет и открытием собственного движения звёзд, в 1721 году думал так же. Но Шезо показал неверность такого решения: огромное число слабых источников должно было всё равно светиться ярко. Впрочем, ряд астрономов, включая Иоганна Кеплера и Отто фон Герике, по-прежнему просто считали число звёзд конечным.

Шезо и Ольберс предполагали, что свету далёких звёзд мешает до нас добраться поглощение в межзвёздной пыли. То, что это тоже неверно, стало ясно веком позже. Дело в том, что эта идея была выдвинута в то время, когда ещё не был известен закон сохранения энергии, а свет и тепло воспринимались как совершенно разные явления. Поэтому физики тогда считали само собой разумеющимся, что свет, поглощённый пылью, исчезал бесследно. К середине XIX века ситуация изменилась. Уже Джон Гершель в 1848 году критиковал это объяснение на основе пока ещё не общепринятого закона сохранения энергии: поглощение «лучистого тепла» от бесконечного числа звёзд должно было разогреть пыль до уровня этих звёзд. В результате, достигнув термодинамического равновесия, она должна была излучать столько же тепла, сколько получала. Правда, у Гершеля свет всё ещё пропадал, но вскоре и с этим вопросом разобрались — разогретая пыль начнёт светиться.

Далее объяснение парадокса пошло двумя путями. С подачи Иммануила Канта и Иоганна Ламберта стала развиваться идея иерархической структуры Вселенной (её придерживался и Джон Гершель). В этой концепции Вселенная представляет собой бесконечную совокупность входящих друг в друга систем всё возрастающей сложности. Грубо говоря, всё в ней «кучкуется»: звёзды в галактики, галактики в скопления галактик, те в сверхскопления… Эту идею затем развивали многие астрономы, но своей вершины она достигла в начале XX века у Карла Шарлье, одного из основоположников теории фрактальной Вселенной. Его подход устраняет фотометрический парадокс, если расстояния между равноправными системами достаточно велики по сравнению с их размерами (пустоты гораздо больше «кучек»). Но к середине XX века, а особенно в конце столетия с появлением космических обсерваторий, было надёжно установлено, что метагалактика на больших масштабах однородна, и от этого решения парадокса пришлось отказаться, хотя идея иерархических структур во Вселенной продолжает развиваться и по сей день.

Другим направлением стало объяснение фотометрического парадокса ограниченностью Вселенной либо в пространстве, либо во времени, либо и там, и там. Первым на этот путь встал немецкий астроном Иоганн фон Медлер (1794—1874), который в 1840—1865 годах руководил Дерптской обсерваторией в России. Любопытно, что у него легко проследить эволюцию взглядов в эту переломную эпоху. Дело в том, что он был известным популяризатором астрономии, написавшим книгу «Чудо Вселенной, или популярная астрономия» (1841), которая выдержала восемь изданий и разошлась по всему миру. В первых четырёх изданиях (четвёртое — 1852 год) Медлер придерживается точки зрения Шезо и Ольберса, но в пятом издании 1861 года он излагает уже другое объяснение, ставшее прообразом современного решения фотометрического парадокса: «Скорость света конечна; конечное время прошло от начала Творения до наших дней, и мы, следовательно, можем наблюдать небесные тела только до расстояния, которое свет прошёл в течение этого конечного времени». Таким образом, из-за ограниченности Вселенной во времени (она, как и человек, имеет «дату» рождения) мы просто не видим далёких звёзд, их свет до нас ещё не дошёл.

Собственно эту же идею выдвинул и Эдгар По на тринадцать лет раньше, в 1848 году. Более того, у По Вселенная конечна не только во времени, но и в пространстве. Его можно считать первооткрывателем, но, несмотря на ещё некоторые интересные идеи, о которых говорится в статье П. Амнуэля, книга поэта до учёных не дошла (во всяком случае, об этом ничего не известно) и на развитие науки никакого влияния не оказала. А, может быть, те, кто её видел, не восприняли по тем или иным причинам всерьёз. Всё же концепция Эдгара По во многом запутанная и противоречивая, содержащая много ошибок с современной точки зрения. Да и изложена она своеобразным стилем и слогом — но сделаем скидку на то, что её создал поэт. Здесь прослеживается аналогия с врачом Робертом Майером, одним из первооткрывателей закона сохранения энергии. Из-за того, что его статьи были плохо написаны с точки зрения физиков, одна в 1842 году не была принята к публикации в физическом журнале, а другая, хоть и опубликована в химическо-фармацевтическом журнале, прошла незамеченной. Лишь через 20 лет на неё обратил внимание известный физик Рудольф Клаузиус. Жаль, что у Эдгара По не нашлось своего Клаузиуса. Возможно, ситуация была бы иной, не умри Эдгар По в 1849 году. Заметим, что в личной библиотеке писателя были книги и Медлера, и Гершеля, и других астрономов, а список учёных, которых он упоминает в своей поэме «Эврика», весьма велик.

У читателей может возникнуть вопрос: а почему идею ограниченной в пространстве Вселенной не выдвинули профессиональные астрономы? Ведь, казалось бы, она напрашивалась. «Виновато» было физическое образование астрономов. Они знали, что ограниченная Вселенная не может существовать продолжительное время, ибо силами гравитации она в итоге будет стянута к центру. Именно так некоторые исследователи уже тогда объясняли образование Солнца и планет из первоначального пылевого облака, например Пьер-Симон Лаплас (1749—1827). Время расширяющейся Вселенной ещё не пришло, исследователи не видели ни оснований, ни причин для этого. Поэт же проигнорировал подобные «мелочи», и… угадал!

Правда, идею Медлера, как это ни удивительно, его коллеги тоже проигнорировали. Возможно, объяснение парадокса иерархическим строением Вселенной им тогда казалось более перспективным. Только в конце XIX века с близкой идеей, но уже математически обоснованной, выступил известный физик Уильям Томсон, более известный как лорд Кельвин. Суть его идеи, опубликованной в 1901 году, заключается в том, что размер видимой Вселенной намного меньше того, который необходим, чтобы небо светилось, как поверхность Солнца. Заметим, что Кельвин первым учёл и конечный срок жизни звёзд, многие из которых уже погасли.

А потом наступило время общей теории относительности Эйнштейна, открытия расширения Вселенной и появления гипотезы Большого взрыва, которая окончательно решила фотометрический парадокс. Ведь возникшая в результате Большого взрыва Вселенная по определению конечна во времени (ей около 13,8 миллиарда лет) и, соответственно, в пространстве (диаметр наблюдаемой Вселенной порядка 93 миллиардов св. лет). Добавьте к этому конечность скорости света и времени жизни звёзд, и станет ясно, что общее свечение неба в ней появиться не может, фотометрический парадокс не возникает.

Напоследок разберём один интересный вопрос. Может ли только расширение Вселенной решить фотометрический парадокс? Такая попытка была сделана в 1948 году Фредом Хойлом, Германом Бонди (он, кстати, предложил не совсем корректное название «парадокс Ольберса») и Томасом Голдом, которые выдвинули в качестве альтернативы Большому взрыву модель стационарной Вселенной. В этой модели Вселенная бесконечна, вечна, однородна и изотропна, но, тем не менее, расширяется. Чтобы такое было возможно, во Вселенной происходит непрерывное рождение вещест-ва в количестве всего лишь одного атома водорода в год в кубе со стороной полтора километра. Бонди пришёл к выводу, что благодаря расширению, начиная с некоторого расстояния, галактики удаляются от нас со скоростями свыше скорости света (что не противоречит теории относительности, по-скольку это «космологическая» скорость!), поэтому мы их не можем видеть. Кроме того, расширение Вселенной приводит к увеличению длины волны фотонов от далёких объектов и, соответственно, к уменьшению их энергии. Модель стационарной Вселенной была популярна на протяжении полутора десятков лет, но открытие в 1965 году реликтового излучения и противоречия между предсказаниями теории и наблюдениями поставили на ней крест.

Для модели Большого взрыва расширение играет значительно меньшую роль. Расчёты показывают, что при разумном выборе космологических параметров оно приводит лишь к дополнительному уменьшению яркости примерно до 40% от стационарного случая. Небо просто будет темнее.

Тем, кто хочет познакомиться с историей фотометрического парадокса и его связью с развитием космологии подробнее, можно посоветовать книгу российского астрофизика, доктора наук В. П. Решетникова «Почему небо тёмное. Как устроена Вселенная» (2012).

Другие статьи из рубрики «Редакционный комментарий»

Портал журнала «Наука и жизнь» использует файлы cookie. Продолжая пользоваться порталом, вы соглашаетесь с хранением и использованием порталом и партнёрскими сайтами файлов cookie на вашем устройстве. Подробнее