Почему ночью темно?

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

В самом деле, почему ночью небо темное? Попробуйте-ка ответить! Оказывается, нельзя просто сказать: ночью темно потому, что не светит Солнце. Такой ответ неверен. Даже без Солнца небо, казалось бы, «не имеет права» быть темным. Судите сами.

«ЗАПРЕТ» НА ТЬМУ

Звезды — это солнца. Одни — близкие и потому яркие, другие — невообразимо удаленные от нас, почти невидимые, а то и совсем недоступные нашему глазу. Но каждая излучает свет. И если звезд бесчисленно много, то все вместе они дают бесконечно много света. Не важно, что по отдельности иные звезды незаметны. Раз уж над любым, даже самым крошечным, уголочком небосвода их бесконечно много, они всюду должны сливаться, а сплошной фон, сверкающий ослепительным блеском, исторгающий бесконечно много лучистой энергии. Короче говоря, всему небу предписано иметь яркость, не меньшую, чем у поверхности Солнца. И так как свет звезд вызван их высокой температурой, небо должно изливать такой же нестерпимый жар.

А раз так, то в мире не должно быть места ни для Земли, ни для людей. В нестерпимом свете и жаре немыслима жизнь. Любой листочек, любая букашка мгновенно испепелились бы в такой Вселенной. Вещество привычных нам состояний — твердого, жидкого — стало бы невозможно. Всюду было бы так же жарко, как в недрах Солнца. Неожиданный вывод. И, конечно же, совершенно неверный.

Опровергнуть его наука пытается уже больше ста лет. Попыток сделано масса. Может быть, свет поглощается межзвездной средой — газом, темной пылью, холодными планетами, остывшими «трупами» звезд? Нет, сколько бы ни поглотилось света, его все равно останется бесконечно много. Расчет простой: как бы велика ни была доля несветящейся материи, светящейся все равно останется бесконечно много. Разделите бесконечность пополам, на десять, сто, тысячу частей — любая часть все равно будет бесконечно велика. Кроме того, атомы межзвездной среды не «поедают» свет без остатка. Они просто глотают его, чтобы «выплюнуть» потом в другом направлении. Они лишь рассеивают, как бы разбрызгивают энергию по всему миру.

Тогда, может быть, в нашем мироздании есть гигантские непрозрачные оболочки? Кто-то из чеховских героев философствовал: «Быть может, вся наша вселенная спрятана в дупле зуба какого-то громадного чудовища». И эта «гипотеза», сколь серьезно ее ни обставить, не решает задачу, а лишь отодвигает ее. Ведь любое «дупло», любая темная оболочка в бесконечно светлом и горячем мире неминуемо расплавилась бы и испарилась.

Остается высказать еще одно, весьма рискованное предположение: снять запрет ночной тьмы путем отказа от основной его причины — от звездной бесконечности. Признайте, что в беспредельном пространстве мироздания существует лишь «горстка» звезд и галактик — и все встанет на место, не так ли?

Нет, не так. В подобном выводе — философское шулерство и физическое недомыслие. Еще великий классик естествознания Исаак Ньютон говорил о том, что звезд не может не быть бесконечно много. Если бы их набралась всего «горсть», пусть громадная, благодаря тяготению они слиплись бы в одно-единственное гигантское небесное тело. Позднее, правда, физика внесла поправку: «горсть» звезд не слиплась бы, а, наоборот, разбрелась по бесконечному пространству. И тогда Вселенная опустела бы, из нее исчезло бы фактически все вещество.

Но вещество есть! Как бы далеко ни заглянули телескопы, они всюду находят материю. Значит звезд бесконечно много? Выходит так. Тогда почему же все-таки ночью темно? Видите, как все запуталось! Пытаясь осмыслить вид неба, мы заблудились в дебрях противоречий, столкнулись с мировоззренческими вопросами, коснулись величайшей проблемы устройства всей Вселенной — науки, которая именуется космологией.

ИЕРАРХИЯ СИСТЕМ

Вы получили на экзамене задачу и ужаснулись ее трудности. Но в экзаменационных билетах не принято задавать задач неразрешимых. Поэтому вы упрямо морщите лоб, мучительно думаете и наконец решаете задачу! А потом разыскиваете и другой, и третий способ, и общий метод решения. Нечто похожее происходит и в космологии. Зная, что загадка ночной темноты наверняка разрешима (небо-то темное!), астрономы, физики, философы упорно ищут решение. И мало-помалу ночная тьма начинает получать право на существование.

Представим себе такое: мир бесконечен, звезд в нем бесчисленно много, но, тем не менее, плотность материи в бесконечном объеме Вселенной равна нулю. Невозможно? Оказывается, возможно. Нужно лишь, чтобы при увеличении объема космического пространства плотность материи в нем уменьшалась.

Плотность вещества есть масса, деленная на объем. В каждой звезде плотность очень велика, ибо весь ее объем заполнен веществом. А вот в объеме, включающем две соседние звезды, средняя плотность материи меньше (ведь космическая материя между звездами практически ничего не весит). Еще гораздо меньше плотность вещества в объеме Галактики. А дальше? Что если в предельном случае — для бесконечно большого объема — мы формально получим нулевую плотность материи? Ведь тогда запрет ночной темноты снимается! Глядя вдаль, мы практически не увидим вещества — ни светящегося, ни темного. И это несмотря на то, что звезд и прочих небесных тел останется бесчисленно много.

Такая идея легла в основу любопытных схем размещения звезд, которые построил в начале прошлого века бельгийский космолог Шарлье. Главную их особенность Шарлье заимствовал у астронома XVIII века Ламберта. Особенность эта — иерархичность строения мира. Небесные тела образуют системы, сложность которых с увеличением размеров возрастает, а средняя плотность материи падает. Мир, устроенный по таким правилам, вполне свободен не только от запрета ночной тьмы, но и от некоторых других парадоксов, вставших в космологии.

В свое время схемы Шарлье казались откровением. В них чудилась разгадка строения Вселенной. Однако потом энтузиазм остыл. Прямых доказательств идеям Шарлье не нашлось. Системы его остались всего-навсего предположением. И все же труд Шарлье был очень полезен. Он показал, что выходы из тупиков космологии существуют.

А тем временем на научную арену вышла знаменитая теория относительности Альберта Эйнштейна. Но об этом читайте уже в следующей нашей статье.

Автор: Глеб Анфилов.