Часом так кортить повернути час назад. Астрофізикиня Кейті Мак, авторка нової книжки «Повний кінець* на думку астрофізиків», перекладеної у видавництві «Лабораторія», пояснює, як вчені можуть повернутися в минуле завдяки світлу.
Для космологів минуле — не втрачена царина, до якої вже ніяк не дістатись. Це реальне місце, ділянка космосу, за якою можна спостерігати. В минулому ми проводимо більшість робочого дня. Ми можемо, не виходячи з-за столу, подивитись, як розгортались астрономічні події мільйони чи навіть мільярди років тому. І річ не в тому, що космологія знає якийсь фокус — просто така властивість Всесвіту, в якому ми живемо.
Все зводиться до факту, що світло проходить певну відстань за певний час. Швидкість його велика — десь 300 мільйонів метрів за секунду — але все ж воно не долає відстані в момент. Коли ви вмикаєте ліхтарик, світло, що йде від нього, проходить десь 30 сантиметрів за наносекунду, і відбиваючись від того, на що ви світите, летить до вас із приблизно такою самою швидкістю. По суті, коли ви на щось дивитесь, то зображення, яке ви бачите — тобто світло, яке відбиває об’єкт і яке доходить до ваших очей — вже трішки втрачає новизну. Людина, яка сидить в іншому куточку кафе, перебуває відносно вас на кілька наносекунд в минулому — це пояснює, чому у неї такий ностальгійний вираз обличчя й такий немодний одяг. Коли ви дивитесь на Місяць — ви бачите його версію трішки більш ніж секундної давності. А зірки на небі взагалі далеко в минулому, від кількох років до тисячоліть.
Ви, мабуть, уже знали, що світло отак запізнюється. Але це відкриває неймовірні можливості. Це означає, що ми, астрономи, можемо подивитись на небо й побачити, як відбувалась еволюція Всесвіту, від ранніх років до сьогодні. Ми використовуємо в астрономії поняття «світловий рік» не тому, що це величезна відстань (десь 9,5 трильйона кілометрів) і тому це зручно, а й тому, що так ми розуміємо, скільки років світло йшло від об’єкта, на який дивимось. Зірка на відстані 10 світлових років для нас перебуває на 10 років у минулому. Галактика на віддалі 10 мільярдів світлових років — відповідно на 10 мільярдів років у минулому. Позаяк нашому Всесвіту всього 13,8 мільярда років, то в галактиці на відстані 10 мільярдів світлових років ми можемо побачити, яким він був у молодості. У певному сенсі, дивитися у космос рівнозначно тому, щоб заглядати у власне минуле.
Тут є важливий нюанс, і з мого боку буде негарно про нього не згадати. Побачити наше минуле технічно неможливо. Оскільки світло ми бачимо з затримкою, то що на більшій відстані від нас перебуває об’єкт, то далі він у минулому. Це співвідношення дуже строге: ми не можемо побачити ані своє минуле, ані віддалені галактики в тому вигляді, в якому вони є сьогодні. Що на більшій відстані перебуває об’єкт — то далі він стоятиме на таймлайні космосу.
То як взагалі ми можемо дізнатись щось корисне про власне минуле, якщо у змозі бачити тільки минуле якоїсь іншої галактики — події, які відбувались у давню давнину й у далекій далечині? Відповідь на це запитання зводиться до принципу, який для космології настільки ключовий що так і називається: «космологічний принцип». Простими словами він звучить так: по суті, Всесвіт усюди однаковий. Очевидно, що в масштабі людства це не працює — для нас усе-таки трішки важливо, де ми є: на поверхні Землі, у глибокому космосі чи в центрі Сонця. Але у величезних астрономічних масштабах, де цілісінькі галактики можуть вважатися окремими нецікавими крапочками, Всесвіт однаковий, куди не глянь, і весь зроблений з одного й того самого. Ця ідея міцно пов’язана з принципом Коперника — поняттям, яке Миколай Коперник сформулював у XVI столітті та яке спочатку сприймалося як єресь: ми — не «особлива» частина космосу, а просто звичайна крапка, на якій життя легко могло з’явитися випадково. Тож коли ми дивимось на галактику на відстані мільярда світлових років і бачимо її такою, якою вона була мільярд років тому, у Всесвіті, що на мільярд років молодший від нашого зараз — ми можемо бути цілком впевнені, що тут мільярд років тому умови були приблизно такі самі. Насправді до певної міри це можна перевірити шляхом спостережень. Дослідження розташування галактик у космосі показали, що одноманітність, яка витікає з космологічного принципу, зберігається у всьому Всесвіті (принаймні, там, куди ми дивились).
Висновок тут такий: якщо ми хочемо більше дізнатися про Всесвіт і умови, в яких сформувалася наша рідна галактика Чумацький шлях, все, що треба зробити — подивитись на щось, розташоване дуже далеко.
Це означає також, що у космології немає чіткої концепції поняття «зараз». Точніше, ваше «зараз» прив’язане безпосередньо до вас, до того, де ви знаходитесь і що робите. Яке значення буде у фрази «ота наднова зараз вибухає», якщо світло ми бачимо зараз, і споглядати за вибухом зірки можемо у цю мить, але те світло йшло до нас мільйони років? По суті, процес, який ми спостерігаємо — вже далеко в минулому, але що відбувається з тією зіркою, яка вибухнула, в нашому «зараз», ми побачити не можемо, і не зможемо ще мільйони років. Тобто для нас її «зараз» — не теперішнє, а майбутнє.
Коли ми розглядаємо Всесвіт у просторі-часі — це така собі комплексна універсальна система, у якій простір має три вісі, до яких додається четверта, тобто час — минуле й майбутнє перетворюються для нас на точки, розкидані по одній і тій самій тканині, що тягнеться від народження космосу до самого його кінця. Подія, яка для нас — у майбутньому, для людини в іншій точці цієї тканини може бути далеко в минулому. А світло (чи будь-яка інша інформація) від події, яку ми не побачимо ще тисячу років, уже «зараз» летить до нас крізь простір-час. Коли відбулася ця подія — в минулому, майбутньому, чи там і там одночасно? Все залежить від того, як на це подивитись.
Якщо ви звикли мислити категоріями тривимірного світу — у вас зараз, мабуть, ламається мозок. Але для астрономів обмеженість швидкості світла — фантастично корисний інструмент. Так ми можемо дізнатись, що відбувалося в космосі в далекому минулому, не за самими лише натяками — слідами й залишками тих подій — а безпосередньо зазирнути в минуле й поспостерігати, як із часом змінювався стан справ. Ми можемо подивитись на Всесвіт, коли йому було всього три мільярдики рочків — побачити період ренесансу формування зірок, коли галактики аж розпирало від світла (а може, й філософії та мистецтва), і поспостерігати, як це світло блякло у міру того, як минали ери. Ми можемо зазирнути навіть ще далі й побачити, як вирує матерія в надмасивних чорних дірах у Всесвіті, якому менш як 500 мільйонів років — у час, коли світло зірок тільки починало пронизувати морок між галактиками.
З новими космічними телескопами ми скоро зможемо побачити одні з перших галактик, що утворилися в космосі — ті, що з’явилися, коли Всесвіту було всього кілька сотень мільйонів років. Але якщо ті галактики були першими — то що буде, якщо зазирнути ще далі?
Чи можемо ми побачити таке далеке минуле, де ще не було галактик? Такі плани у нас є. Сьогодні створюються радіотелескопи, з якими ми, можливо, угледимо матеріал, з якого утворилися перші галактики — тут нам допоможе на диво ефективна взаємодія світла й водню. Якщо ми зможемо напряму подивитись на водень — матеріал, який одного дня перетвориться на зірки й галактики — ми станемо свідками формування найперших у Всесвіті структур.
Але що, як ми зазирнемо ще далі? Що, як ми побачимо часи до появи зірок, галактик, водню? Ми можемо побачити сам Великий вибух?
Так. Можемо.