Расширяется Вселенная или стареют фотоны?

Расширяется Вселенная или стареют фотоны?

Следующий шаг в понимании космологической проблемы сделал соотечественник Александра Фридмана — Матвей Бронштейн. Его участие в физике Вселенной началось в 1931 году с первой обзорной статьи о космологии в журнале «Успехи физических наук», где он воздал должное «покойному русскому математику» и его «наполовину забытой» работе.

Двадцатичетырехлетний теоретик, родившийся на год позже теории относительности, был хорошо подготовлен для трудной задачи. Его интересы охватывали всю фундаментальную физику, и он чувствовал себя свободно в том соединении астрономии, физики и математики, каким была космология. Первую научную работу по квантовой физике он опубликовал в 18 лет, еще до поступления в университет, а к 1931 году сделал и важные работы по астрофизике звезд.

Во введении к обзору, описав звездно-галактическую структуру Вселенной, он подчеркнул, что

астроном-наблюдатель никогда не будет знать ничего о мире как о целом, как бы ни увеличивалась дальнозоркость астрономических инструментов. Поэтому может казаться, что космологическая проблема является неприступной крепостью, завоевание которой не может быть уделом эмпирической науки. Но там, где астроном-наблюдатель пришел в отчаяние от своего бессилия, к решению безнадежной проблемы подходит физик.

Матвей Бронштейн, начало 1930-х годов

Избавляя читателя от робости перед космологической задачей, Бронштейн изложил основы математического языка теории гравитации и рассмотрел три модели Вселенной: статичную модель Эйнштейна, пустую модель де Ситтера и динамическую модель Фридмана — Леметра. Диковинные тогда понятия «радиуса мира» и «горизонта событий» он пояснил и обычным языком:

если радиус мира очень велик, то цилиндрическая форма мира [Эйнштейна] так же мало сказывается на явлениях, происходящих в сравнительно небольших участках этого мира, как шарообразная форма Земли сказывается на явлениях, происходящих в пределах одной комнаты; …письма, адресованные в пункт, отстоящий на расстояние ?R/2 от ближайшей почтовой конторы, в мире де Ситтера никогда не доходят до места назначения, даже если почта передает их со скоростью света.

Завершается обзор главной проблемой:

Космологическая теория безусловно подвергнется еще многим изменениям. Прежде всего ей придется расширить свои сроки, которые все же чрезвычайно стеснительны для космогонистов.

Бронштейн в своем обзоре не упомянул гипотезу старения фотонов, выдвинутую астрономом Цвикки для объяснения красного смещения. Предположенное в той гипотезе взаимодействие света с межгалактическим веществом не выдерживало астрофизической критики. Гипотеза привлекала тех, кому «понятный» малый эффект был милее грандиозной и непонятной картины Вселенной, разлетающейся во все стороны.

Ситуация изменилась пару лет спустя, когда новый механизм старения фотонов предложили физики с переднего края фундаментальной теории. Теперь речь шла о покраснении фотонов в результате их взаимодействия не с веществом, а с… пустотой. Тогдашние физики поняли, что пустота — это не просто пустое пространство, а квантовый вакуум, в котором идет своя незаметная жизнь — незаметная лишь «невооруженному глазу»: спонтанно возникают и очень быстро исчезают пары электронов и только что открытых позитронов — анти-электронов. В 1933 году появилась гипотеза, что фотон, взаимодействующий с такими виртуальными парами, отщепляет от себя маленькие фотончики и постепенно уменьшает свою энергию — «краснеет». При этом покраснение пропорционально расстоянию, проходимому фотоном через вакуум, что и дало бы соотношение Хаббла.

Это новое слово фундаментальной физики заслуживало рассмотрения. Однако настоящей теории электрон-позитронного вакуума еще не было, так что прямой расчет был уязвим. Бронштейн нашел изящный общий способ проверить гипотезу. Он показал, что, независимо от механизма гипотетического расщепления фотона, из принципа относительности следует вполне определенная связь вероятности распада фотона и его частоты. Соответствующее покраснение различалось бы в разных частях спектра, в отличие от эффекта Доплера и соотношения Хаббла. Так главный наблюдательный факт тогдашней космологии получил фундаментальное обоснование.

При этом осталась и проблема малого возраста Вселенной. С этим справились сами астрономы двадцать лет спустя, уточнив многоступенчатую шкалу расстояний, на которую опирался Хаббл. Первой ступенью этой шкалы была оценка расстояния до ближайших цефеид. Уточнение привело к тому, что шкала расстояний и, соответственно, шкала времени удлинилась в семь раз, устранив вопиющую внешнюю проблему космологии — неувязку возраста Вселенной и возраста Земли.

Оставалась, однако, глубокая внутренняя проблема космологии — проблема начала расширения.