r2u.org.ua / e2u.org.ua

дякую

3
Піднесення наукового матеріалізму і затьмарення теїстичної науки
Віра в раціонального й розумного творця надихнула розвиток сучасної науки. Але після вісімнадцятого століття це розуміння поступилося місцем уявленню, яке просували багато потужних голосів, що наука і релігійні переконання ворогують. Що привело до цього драматичного зсуву?
На початку мого вивчення історії та філософії науки я зіткнувся з цим питанням. Протягом першого року навчання в Кембриджі я особливо захопився Ньютоном і тим, як він тісно інтегрував свої теїстичні й навіть біблійні ідеї в розроблення найфундаментальніших теорій фізики. Як сказав мені один із моїх керівників, «Якщо ви не помічаєте теїзму Ньютона, то не помітили всього». Ньютон не тільки мав глибоко теїстичну філософію природи, але й також розробив кілька переконливих (принаймні на той час) аргументів на користь природної теології, тобто аргументів на користь існування Бога, заснованих на спостереженнях за складними системами в природному світі.
Однак мені не довелося далеко ходити, щоб знайти докази протилежного бачення того, що говорить нам наука. Читаючи праці біологів кінця дев’ятнадцятого століття, я зіткнувся з абсолютно інакшою філософією науки, ніж та, що надихнула наукову революцію.
У цей період, коли науковці починали формулювати теорії походження та еволюції життя на землі, світогляд, відомий як науковий матеріалізм, який я ввів у Передмові, почав домінувати в роздумах про значення науки. Його піднесення йшло слідом за рухом в історії філософії вісімнадцятого століття, який історики називають Просвітництвом.
Інтелектуальні історики та історики науки зазвичай ототожнюють відхід від теїстичних засад сучасної науки з трьома основними подіями в західній інтелектуальній історії: по-перше, ідеєю Просвітництва, що людський розум міг замінити релігійну віру та функціонувати автономно; по-друге, зростаний скептицизм щодо існування Бога або принаймні обґрунтованості аргументів стосовно існування Бога серед багатьох філософів Просвітництва; по-третє, зростання наукового матеріалізму, а разом з ним і нових норм наукової практики, і світогляду, нібито заснованого на науці, що стверджує матерію й енергію, а не Бога, як фундаментальну реальність, з якої походить усе інше.

Розум і релігія в епоху Просвітництва
Ньютон помер у 1727 році. У подальші роки науковці продовжували демонструвати силу систематичного дослідження природи. Філософи Просвітництва дедалі частіше підносили чесноти розуму (і науки) над релігією як джерелом авторитету та знання. Справді, багато філософів розглядали науку та розум загалом як джерела авторитету, які могли б і повинні замінити релігію одкровення. Ця ідея здавалася дедалі привабливішою в Європі після століть чвар і воєн, в яких протистояли католики і протестанти, частково через конкурентні претензії щодо джерела релігійного авторитету. Після спустошень Тридцятилітньої війни (1618–1648 рр.) багато європейців почувалися виснаженими релігійними конфліктами, залишаючи себе відкритими до нових перспектив, навіть радикально нових.
Крім того, такі французькі філософи, як Вольтер, а пізніше Конт (після епохи Просвітництва), вважали науку, можливо, найкращим прикладом могутності людського розуму та найнадійнішим джерелом знань. Вони припускали, що наука може функціонувати автономно від релігійних вірувань – і, отже, незалежно від передумов (таких як зрозумілість, випадковість і однорідність природи), які християнський теїзм надав як частину первісної епістемологічної основи сучасної науки. Натурфілософи, або «науковці», як їх назвав англійський філософ Вільям Вевел (William Whewell) у 1833 році, все ще прагнули відкрити «закони природи» та «механізми» великого «годинникового механізму» природи. Але ці метафори поступово втратили свій первісний богословський підтекст. Принаймні так сталося з багатьма філософами Просвітництва, які характеризували науку як суто світську справу і зображували розум і одкровення як протилежності.
Один видатний філософ Просвітництва спеціально призначив ідею законів природи причиною відкинути теїстичну віру. Скептично налаштований емпірик Дейвід Г’юм (David Hume) (рис. 3.1) стверджував, що законне з’єднання природи виключає можливість чудесного втручання трансцендентного Бога. Чудеса, за його словами, неможливі, тому що вони порушують закони природи. Він зобразив ці закони як автономні сутності, а не як описи того, як Бог зазвичай вирішує впорядкувати матеріальний світ, як вважали Ньютон і попередні науковці.

Рисунок 3.1. Шотландський філософ Дейвід Н’юм, чий радикальний емпіризм привів його до відкинення проєктного аргументу та можливості чудес.

Г’юм виправдовував своє заперечення можливості чудес, наполягаючи на тому, що однорідний і повторюваний людський досвід продемонстрував, що природні закони не можуть бути порушені. Як він пояснював, «Чудо – це порушення законів природи; а що міцний і незмінний досвід встановив ці закони, докази проти чуда, виходячи з самої природи факту, такі повні, як тільки можна собі уявити будь-який аргумент із досвіду».
Г’юм висунув теорію пізнання, відому як радикальний емпіризм. Емпіризм стверджує, що спостереження за природним світом п'ятьма органами чуття пропонує єдиний надійний шлях до знання. Отже, це єдине надійне джерело ідей у нашому розумі. Відкидання Г’юмом можливості чудес відображало цей погляд, бо він стверджував, що однорідний людський досвід, здобутий через чуття, встановив закони природи, а люди ніколи не помічали будь-яких винятків з них. Як він зазначив: «Ніщо не вважається дивом, якщо воно коли-небудь відбувалося в звичайних умовах природи». Отже, Г’юм не тільки стверджував, що чудеса порушують закони природи, він також стверджував, що наш досвід встановив: те, що ми називаємо природними законами, не допускає винятків. Одним словом, чудеса порушують закони природи, а закони природи порушувати не можна; отже, чудеса неможливі.
Г’юмів аргумент щодо природи означав, що єдиний вид Бога, який міг би існувати – якщо він взагалі існував – була б віддалена деїстична істота, яка ніколи не втручалася чи іншим чином діяла дискретно чи помітно в природі. Радикальний емпіризм Г’юма далі натякав, хоча й тонко, що віра в Бога сама по собі не може мати міцної основи в розумі, тому що Бог не може бути схарактеризованим як сутність, яку люди можуть спостерігати п’ятьма чуттями.
Французький філософ Оґюст Конт, інший радикальний емпірик і засновник філософії науки, відомої як позитивізм, висунув ще чіткішу дихотомію між наукою та релігійною вірою. У 1840-х роках він стверджував, що поступ знання мав три фази: теологічну, філософську і, нарешті, «позитивну» або наукову. Конт стверджував, що на теологічній фазі люди зверталися до таємничої дії богів, щоб пояснити природні явища, чи то електричні бурі, чи поширення заразних хвороб. На другому, просунутішому, метафізичному етапі філософи запропонували абстрактні поняття, такі як форми Платона або кінцеві цілі Арістотеля, як пояснення природних явищ. За Контом, люди досягали справжнього або «позитивного» знання лише тоді, коли замінювали такі забобони та абстракції та пояснювали природні явища покликанням на природні закони або суто матеріальні механізми.
Отже, він секуляризував дві теологічні метафори – природу як механізм і законну сферу – які раніше виражали теїстичне натхнення для науки. Ба більше, він наполягав на тому, що належним чином практикована наука не може покликатися на божественну дію для пояснення будь-яких подій чи явищ. Натомість, пояснюючи науково або «позитивно», потрібно було показати, як такі явища служать прикладом законів природи, що тепер розуміються як сутності, які існували незалежно від божественної волі чи керування природою.

Смерть теїстичних аргументів
Зростний скептицизм серед філософів Просвітництва щодо класичних аргументів існування Бога – щодо гіпотези про Бога – став додатковим приводом для секуляризації знання. Наприкінці вісімнадцятого століття такі провідні філософи, як Дейвід Г’юм та Імануїл Кант (рис. 3.2), заперечували обґрунтованість двох класичних і найнепереборніших аргументів щодо існування Бога від природи. Г’юм висунув потужні філософські заперечення проти проєктного аргументу; Кант висловлював скептицизм щодо космологічного аргументу (хоча це не обов'язково проєктний аргумент чи існування Бога).

Рисунок 3.2. Німецький філософ Імануїл Кант, який прийняв мінімалістичну версію проєктного аргументу, але відкинув космологічний аргумент існування Бога як непереконливий.

Класична проєктна аргументація починається із зазначення певних високовпорядкованих або складних особливостей природи, таких як конфігурація планет чи будова ока хребетних. Вона продовжує стверджувати, що такі ознаки повинні були виникнути внаслідок діяльності пресущого розуму (зазвичай прирівнюваного до Бога). Космологічний аргумент передбачає принцип причиновості та/або принцип достатньої підстави (ідея про те, що кожна подія повинна мати причину, чи підставу, свого виникнення чи існування). Він прагне вивести необхідну істоту, тобто Бога, як першу причину або достатню підставу існування Всесвіту.
Середньовічні мусульманські вчені розробили одну з найвідоміших версій космологічного аргументу, відому як аргумент Калама. У ньому стверджувалося, що Всесвіт має тимчасовий початок – це положення, яке філософи зазвичай намагалися обґрунтовувати, показуючи логічну чи математичну абсурдність нескінченного регресу причин і наслідків. Аргумент висновував, що початок фізичного Всесвіту повинен був бути результатом безпричинової першої причини, яка існує незалежно від Всесвіту. Аргумент зазвичай виражався в силогізмі:
Все, що починає існувати, повинно мати причину.
Всесвіт почав існувати.
У Всесвіту мусила бути причина свого існування.
Завдяки подальшим етапам міркування прихильники аргументу Калама приходили до висновку, що необхідна перша причина Всесвіту мусить виходити за межі фізичного Всесвіту (бо причина обов’язково відокремлена від її наслідків) і має бути особистою (бо лише особистий агент може діяти дискретно), щоб ініціювати нову лінію причинового зв’язку, не викликаючи її дії попереднім набором необхідних і достатніх матеріальних умов). Нарешті, прихильники аргументу Калама прирівняли цю першу трансцендентну й персональну причину до Бога.
Протягом усієї західної історії багато філософів і науковців формулювали аргументи на користь існування Бога, деякі з них ґрунтувалися на спостереженнях за природним світом. Отже, багато західних мислителів також розглядали науку і теїстичну віру як взаємозміцнювальні. Проте скептицизм щодо найемпіричніше основаних теїстичних аргументів, таких як космологічні та проєктні аргументи, поступово став поширенішим після кінця вісімнадцятого століття, здебільшого через розвиток у межах філософії, який пізніше був посилений новими науковими теоріями або їх інтерпретаціями.

Смерть космологічного аргументу
Філософ Імануїл Кант, наприклад, підірвав довіру до космологічного аргументу Калама. Він зробив це, поставивши під сумнів справедливість другого засновку аргументу – того, що стверджував, що Всесвіт мав початок. Натомість він стверджував, що питання про те, був Всесвіт скінченний чи нескінченний у часі, не може розв’язуватися розумом. Він вважав, що розум може привести до двох однаково раціональних, але суперечливих висновків, або «антиномій», а саме, що Всесвіт мав початок у часі, і не мав його. На його думку, Всесвіт міг мати початок у часі, але він також міг бути результатом безперервної лінії наслідків і причин, що ідуть до нескінченності. Іншими словами, Кант визнав можливість того, що Всесвіт може бути вічним і самосущим. Він не стверджував, як це робив Арістотель, що ідея creatio ex nihilo, створення з нічого, була логічно непослідовна. Але він вважав висновок аргументу Калама непевним.
Філософський скептицизм Канта щодо космологічної першопричини був підкріплений наукою того часу. Хоча Ньютон підтримував проєктний аргумент, один аспект його фізики – постулювання про нескінченний простір – допоміг підірвати класичний аргумент Калама. Відповідно до теорії всесвітнього тяжіння Ньютона, усі тіла притягуються одне до одного із силою, пропорційною добутку їхніх мас і обернено пропорційною квадратові відстані між ними. Його теорія передбачала, що всі тіла матерії у Всесвіті притягуються одне до одного. Але це створило головокрутку. Згідно з теорією Ньютона, кожна зоря повинна тяжіти до центру Всесвіту, поки весь Всесвіт не колапсує сам на себе.
Щоб пояснити нинішню стабільність Всесвіту, Ньютон запропонував, що «матерія була рівномірно розсіяна в нескінченному просторі», щоб «вона ніколи не збиралася в одну масу». Він думав, що якби існувала нескінченна кількість зірок, рівномірно розсіяних у всесвіті нескінченного простору, тоді кожна зоря притягуватиме кожну іншу зорю з однаковою силою в усіх напрямках. Отже, зорі назавжди залишилися б підвішеними розтягненими збалансованим гравітаційним притяганням. Ньютон також вважав нескінченний всесвіт привабливим з богословських міркувань. Він думав про простір як про «Божественний сенсоріум», середовище, в якому Бог сприймав творіння. А що Бог був нескінченний, то простір також мав бути таким.
Пізніше фізики з матеріалістичнішим поглядом визнали нескінченний всесвіт Ньютона по-філософському прийнятним. Деякі розширили модель нескінченного статичного всесвіту, припустивши, що якщо простір має бути нескінченним, то час також має бути нескінченним як у прямому, так і в зворотному напрямах. У нескінченному всесвіті, що перебуває в певному стаціонарному стані, чи гравітаційній рівновазі, – ні розширення, ні стискання – не вистачало динамічного руху, який припускав би початок або кінець. Отже, твердження Ньютона про просторово нескінченний всесвіт багатьом фізикам здавалося таким, що також означає нескінченний у часі Всесвіт. Тож скептицизм щодо ідеї, що Всесвіт має початок у часі, підриває підтримку аргументу Калама або інтерес до нього.

Смерть проєктного аргументу
В епоху Просвітництва проєктна аргументація також зазнала критики. Більшість тоді поширених конструктивних аргументів мали аналогічний характер. Вони порівнювали живі організми зі складними людськими артефактами (такими як годинники) чи аналогічними до них. А що такі складні машини виникли внаслідок діяльності розумних агентів, набагато складніші механізми, очевидні в живих організмах, також повинні походити від проєктувального розуму.
Г’юм націлив на це міркування у своїх «Діалогах про природну релігію» (Dialogues Concerning Natural Religion) (1779). Він стверджував, що проєктна аргументація залежить від хибної аналогії з людськими артефактами. Він визнав, що артефакти походять від розумних майстрів і що біологічні організми мають певну схожість зі складними людськими артефактами. І очі, і годинник залежать від функціональної інтеграції багатьох окремих і спеціально сконфігурованих частин. Однак, стверджував він, біологічні організми також відрізняються від людських артефактів – наприклад, вони відтворюються, – і прихильники проєктної аргументації не враховують цієї відмінності. А що досвід вчить, що організми завжди походять від інших організмів, то Г’юм стверджував, що аналогічний аргумент дійсно має припускати, що організми врешті походять від якогось первісного організму (можливо, гігантського павука чи овоча), а не від трансцендентного розуму чи духу.
Проте категорична відмова Г’юма від проєктної аргументації не виявилася цілком вирішальною ні для теїстичних, ні для світських філософів. Такі різноманітні мислителі, як Кант, шотландський пресвітеріанин Томас Рід, деїст епохи Просвітництва Томас Пейн та англійський філософ Вільям Вевел, продовжували стверджувати різні версії проєктної аргументації. Справді, науково обґрунтовані проєктні аргументи тривали принаймні на початку дев’ятнадцятого століття в таких роботах, як «Природна теологія» (Natural Theology) Вільяма Пейлі (1802).
Пейлі (рис. 3.3) каталогізував безліч біологічних систем, які припускали роботу наглядального розуму. Пейлі стверджував, що дивовижна складність і чудове пристосування засобів до цілей у таких системах не можуть виникнути лише через сліпі сили природи. Пейлі також прямо відповів на твердження Г’юма про те, що висновок щодо проєкту спирався на помилкову аналогію. Він стверджував, що годинник, який міг би відтворювати себе сам, створив би ще дивовижніший ефект, ніж той, що не міг би. Отже, для Пейлі відмінності між артефактами та організмами, здавалося, лише посилили висновки про проєкт. Ба більше, аж до дев’ятнадцятого століття багато науковців продовжували вважати міркування Пейлі «від годинника до годинникаря» переконливими. Інші праці англійської природної теології першої половини дев’ятнадцятого століття, такі як знамениті «Бріджвотерські трактати» (Bridgewater Treatises), також продемонстрували постійну популярність проєктних аргументів, особливо в Британії, попри добре відомі заперечення Юма.

Рисунок 3.3. Вільям Пейлі, прихильник природної теології початку XIX століття.

Справді, не аргументи філософів почали руйнувати популярність проєктної аргументації, а поява дедалі потужніших матеріалістичних пояснень «видимого проєкту». Особливо виділяється теорія еволюції через природний добір Чарлза Дарвіна. У книжці «Про походження видів», опублікованій 1859 року, Дарвін (рис. 3.4) стверджував, що живі організми – раніше пропоновані найочевиднішим прикладом творчої сили Бога – лише здавалися спроєктованими. Дарвін запропонував конкретний механізм – природний добір, що діє на основі випадкових варіацій, який міг би пояснити пристосування організмів до їхнього середовища (та інші докази видимого проєкту), не звертаючись до реального розумної чи спрямовувальної агенції. Якщо походження біологічних організмів можна було б пояснити натуралістично, як стверджував Дарвін, то пояснення, що посилаються на творчий інтелект, були непотрібні та навіть пусті.

Рисунок 3.4. Чарлз Дарвін, британський натураліст і автор книги «Про походження видів».

Піднесення наукового матеріалізму
Успіх нових наукових теорій про астрономічні, геологічні та біологічні походження сприяв відмові від теїзму як пояснювальної основи науки. Здавалося, що ці нові теорії разом підтримують альтернативний світогляд наукового матеріалізму. Наприклад, у 1796 році французький фізик П’єр Лаплас (рис. 3.5) намагався пояснити походження Сонцевої системи не як продукт проєкту «розумної і могутньої Істоти», як це зробив Ньютон, а як результат чисто природних гравітаційних сил. У своїй книзі «Виклад системи світу» (Exposition du Système du Monde) Лаплас окреслив сценарій, за яким планети могли сформуватися з гарячих атмосферних газів, що оточують Сонце та інші обертні зорі. Відома як небулярна гіпотеза, теорія Лапласа надала еволюційний і цілком матеріалістичний опис походження Сонцевої системи. Як він запитував: «Чи не може таке розташування планет саме бути наслідком Законів руху; і чи не міг вищий розум, якого Ньютон змушує втручатися, робити його залежним від загальнішого явища? Як от ... туманна матерія, поширювана різними масами по всій безмежності небес».

Рисунок 3.5. П’єр Лаплас, французький фізик і автор «Трактату про небесну механіку».

Починаючи з 1798 року, Лаплас публікував «Трактат про небесну механіку» (Traité de Mécanique Céleste), багатотомовий супутник своєї ранішої роботи. Він з точними математичними деталями описав поточне функціонування Сонцевої системи. 1802 року він презентував деякі роботи новому французькому імператорові Наполеону Бонапарту [на той час ще консулу. – Прим. перекл.]. Згідно з пізнішими (і, можливо, апокрифічними) повідомленнями, коли Наполеон зрештою викликав Лапласа для обговорення його роботи, він прямо запитав науковця про роль Бога в походженні Сонцевої системи. Імператор запитав: «Мені кажуть, що ви написали цю велику книгу про систему Всесвіту і ні разу навіть не згадали її Творця». Як повідомляють, Лаплас видав тепер знамениту відповідь: «Сер, мені не була потрібна ця гіпотеза».
Історики не впевнені в тому, чи справді Лаплас сказав ці слова, частково тому, що перші цитування їх з’являються лише в 1825 році. Але найперші повідомлення про цю зустріч, безумовно, фіксують зсув перспективи щодо того, чи могла гіпотеза про Бога відігравати пояснювальну роль у будь-якому аспекті природничих наук. Англійський астроном сер Вільям Гершел (William Herschel), єдиний очевидець зустрічі Лапласа і Наполеона, повідомляє, що у відповідь на запитання «першого консула» (Наполеона) «А хто автор усього цього!» Лаплас відповів, вказавши, що (як перефразовує свою відповідь Гершел) «ланцюг природних причин пояснив би побудову та збереження чудової системи». І очевидно, що «Трактат» Лапласа та його попередня «Система світу» надали повністю натуралістичний опис не тільки поточного функціонування небесної системи, а й її походження. Отже, робота Лапласа ознаменувала зміну в підході багатьох науковців.
Розвиток в інших сферах підтримав цю тенденцію. У геології Чарлз Лаєл (Charles Lyell) пояснив походження найяскравіших топографічних об’єктів Землі – гірських хребтів і каньйонів – як результат повільних, поступових і повністю натуралістичних процесів змін. У біології, як зазначалося, еволюційна теорія Дарвіна намагалася показати, що сліпий процес природного добору, що діє на випадкові варіації, пояснював виникнення нових форм життя без будь-якого божественного керівництва. Здавалося, що живі організми були спроєктовані. Як пояснив біолог Франсіско Аяла (Francisco Ayala): «Функціональний проєкт організмів та їхні особливості могли б... видається, доводити існування проєктувальника. Найбільшим досягненням Дарвіна був [однак] показ того, що напрямну організацію живих істот можна пояснити як результат природного процесу, природного добору, без необхідності вдаватися до Творця чи іншого зовнішнього агента».
Як я вже згадував у Передмові, кожна світоглядна чи метафізична система має розглядати питання походження. Письменник Джеймз Сайр назвав це «питанням первинної реальності» – питанням «Яка є річ, чи сутність чи процес, з чого походить усе інше?». До кінця дев’ятнадцятого століття науковці сформулювали досить повний набір цілком матеріалістичних теорій, що описують походження та розвиток життя, зокрема людського життя, аж до походження Землі та Сонцевої системи. Тож, мабуть, не дивно, що в той час виник світогляд – науковий матеріалізм – який претендував на вичерпну матеріалістичну відповідь на питання про первинну реальність, основану на кількох популярних тоді наукових теоріях.

Змінення норм: роль методологічного натуралізму
Не лише відчутий успіх матеріалістичних теорій походження вигнав Бога чи гіпотезу про проєкт. Нові наукові норми та практики з’явилися протягом дев’ятнадцятого століття, завдяки чому гіпотеза про Бога здавалася, якщо не хибною, то принаймні дедалі нерелевантнішою. Як стверджує історик науки Ніл Ґілеспі у своїй класичній праці «Чарлз Дарвін і проблема створення» (Charles Darwin and the Problem of Creation), виключення гіпотези про проєкт було підкріплене новою традицією, яка все більше намагалася виключити звернення до божественних або розумних причин з науки за означенням. Ґілеспі частково приписав цю нову «позитивістську епістему» впливові філософа Оґюста Конта.
Інші історики та філософи розглядають появу строго натуралістичних методологічних конвенцій більше як природний наслідок практики самих науковців-теїстів. Стів Фулер зазначив у листуванні зі мною, що розбіжності серед теїстів щодо пояснювальної ролі Бога в науці – наприклад, розбіжності між Ньютоном і Ляйбніцом, про які йшлося в попередньому розділі – сприяли піднесенню строго матеріалістичного підходу до наукового пояснення. Невпевненість серед теїстів щодо того, як правильно звертатися до Бога як наукового пояснення, змушувала науковців дедалі частіше розглядати лише натуралістичні пояснення.
У будь-якому разі, науковці все більше розуміли, що наукові теорії повинні обмежуватися постулюванням лише матеріалістичних сутностей або природних процесів у наукових поясненнях. Поcтулювання творчого розуму порушувало такі (писані чи неписані) методологічні норми. Наприклад, у «Походженні видів» Дарвін неодноразово виступав проти наукового статусу загальноприйнятої «теорії створення». Він часто звинувачував своїх суперників не лише через їхню нездатність розробити пояснення для певних біологічних даних, а й через нездатність запропонувати наукові пояснення взагалі. Правда, деякі аргументи Дарвіна щодо його теорії спуску з модифікацією залежали не від нещодавно відкритих фактів, а таких фактів, як гомологія (подібні структури в інших тварин) і прогресія кам’янин, які не загнали в глухий кут і не спантеличили тогочасних палеонтологів, таких як Луї Аґасіз (Louis Agassiz), і систематиків, таких як Річард Овен (Richard Owen). Обидва ці видатні науковці вважали, що такі явища відображають попередні «діяння розуму» або «план створення».
Але, на думку Дарвіна, пояснення, що вказують на нематеріальний розум, ідею чи план, взагалі не кваліфікуються як належні наукові пояснення. В атаці на своїх суперників він поставив під сумнів не просто їхню здатність пояснити докази, а скоріше наукову легітимність будь-якої теорії, що не змогла запропонувати матеріалістичну причину для спостережних явищ. Отже, Дарвін відкинув пояснення Овена подібності анатомічних структур у різних тварин через посилання на «план створення», сказавши: «Але це не наукове пояснення».
Припущення Дарвіна про те, як мають виглядати наукові теорії, вплинули на те, як він виклав свої аргументи в «Походженні видів». Він також встановив нові методологічні норми, які забороняли пояснення з використанням творчого інтелекту або розумного проєкту в історії життя. Норми, що забороняють такі звернення, сприяли запереченню теїстичного проєктного аргументу протягом і по завершенні ХІХ ст.
Звіcно, успіх повністю натуралістичних теорій походження в астрономії, геології та особливо біології підсилив цю тенденцію. Ці теорії, взяті разом, припускали, що всю історію Всесвіту можна розповісти як майже суцільне розкриття потенціалу матерії та енергії. Усталена космологія дев’ятнадцятого століття, яка передбачала, що матерія та енергія вічні й самосущі, зміцнювала цю матеріалістичну перспективу, бо, здавалося, усуває будь-яку потребу розглядати питання про первинне походження матерії.

Дарвін, Маркс і Фройд: всеосяжний матеріалізм
Крім Дарвіна, ще двоє діячів кінця дев’ятнадцятого та початку двадцятого століття зробили свій внесок у цей дедалі вкорінюваний світогляд. Обидва зробили це, розвинувши впливові соціальні наукові теорії. В економіці та соціальній філософії діалектичний матеріалізм Карла Маркса (рис. 3.6) і його утопічне бачення майбутнього, засноване на ньому, виражали глибоко детерміністичне, а також матеріалістичне розуміння людської природи. У психології Зіґмунд Фройд (рис. 3.7) сформулював складну характеристику людської психіки, описуючи різні елементи та збудливі мотивації або цілі кожної частини розуму, у процесі малюючи разюче детерміністичне бачення людської природи. Тоді як Маркс зобразив людей як визначених матеріальними потребами та безособовими економічними силами, Фройд зобразив поведінку як продиктовану значною мірою неусвідомленими сексуальними бажаннями.

Рисунок 3.6. Карл Маркс, основоположник діалектичного матеріалізму. Рисунок 3.7. Знаменитий психолог Зіґмунд Фройд.

І Маркс, і Фрейд були атеїсти, які зневажливо ставилися до гіпотези про Бога. Маркс вважав релігію опіатом, який пропагує буржуазна еліта, щоб знеболити робочі класи для їх експлуатації. Фройд також вважав, що віра в Бога служить утилітарній цілі. Він думав, що люди винайшли міт про доброзичливого Бога, щоб створити втішну фігуру батька як психологічну милицю, щоб компенсувати важкі стосунки зі своїми справжніми земними батьками. Відомий його вислів, що перевертає юдео-християнську історію створення: «Бог не створював людину; людина створила Бога».
З цими трьома великими постатями – Дарвіном, Марксом і Фройдом – наука, здавалося, відповіла на багато найглибших світоглядних питань, на які досі відповідала людям на Заході юдео-християнська релігія. Як я дещо афористично пояснив у доповідях на конференції: «Дарвін сказав нам, звідки ми взялися, Маркс сказав нам, куди ми йдемо, а Фройд розповів нам про людську природу і що робити з нашою виною». Усі троє стверджували, що базують свої теорії на наукових доказах та аналізі.
Отже, на початку двадцятого століття наука, здавалося, підтримувала, якщо можна сказати, що вона щось підтримує, матеріалістичний світогляд, а не теїстичний. Науці більше не потрібно було залучати вже пресущий розум для формування матерії, щоб пояснити докази природи. Матерія завжди існувала і могла – фактично – організуватися без пресущого проєктувальника чи творця.

Науковий матеріалізм і зв'язок між наукою і вірою
Не дивно, що зростання наукового матеріалізму змінило те, як багато інтелектуалів концептуалізували зв’язок між наукою та теїстичною вірою. Багато науковців, філософів і теологів двадцятого століття сприймали науку і теїстичну віру як такі, що перебувають у відкритому конфлікті одна з одною – погляд, проголошений Джоном Вільямом Дрейпером та Ендрю Діксоном Вайтом у своїх ревізіоністських історіях кінця дев’ятнадцятого століття, а пізніше агресивно популяризований новими атеїстами.
Ми бачили, що більшість істориків науки тепер розглядають як надзвичайно спрощені спроби представити всю історію науки як битву між наукою та християнством. Проте з цього не випливає, що такого конфлікту ніколи не було. Багато науковців і філософів двадцятого століття висунули модель конфлікту як принаймні правильне поточне, якщо не минуле, розуміння. Науковці та філософи, які дотримуються цього погляду, стверджують, що навіть якщо наука і релігія не були в конфлікті в минулому, то перебувають тепер.
Багато обстоювачів конфлікту покликається на панування дарвіністського мислення – з його запереченням реального, а не просто видимого проєкту в живих системах – як принципу і непримиренного локусу цього конфлікту. Якщо теїзм стверджує, що творчий інтелект відіграв ключову роль у виникненні живих форм, і якщо еволюційна біологія може пояснити походження живих організмів, посилаючись на абсолютно ненаправлені матеріальні процеси, то один з цих двох поглядів має бути хибним. Провідні прихильники еволюційної теорії, такі як Франсіско Аяла, покійний Вільям Провайн (William Provine), Дуґлас Футуйма (Douglas Futuyma), Річард Докінз і покійний Джордж Ґейлорд Сімпсон (George Gaylord Simpson), погоджуються, що неодарвінізм заперечує будь-які помітні докази проєкту або керування в історії життя. Неодарвінізм вчить, як одного разу сказав Сімпсон, «що людина – результат безцільного і природного процесу, який не мав її на увазі». Або, як стверджує Аяла, неодарвінізм пояснює «проєкт без проєктувальника».
Звісно, з істиності неодарвінізму чи якоїсь іншої матеріалістичної еволюційної теорії не випливає, що божество не могло існувати. Навіть популярні прихильники наукового атеїзму, разом з Докінзом і Наєм, визнають, що наука не може категорично виключити таку можливість. Вони не заперечують можливості проєктувальника, чия творча діяльність така замаскована у видимо природних процесах, що уникає наукового виявлення. Проте для більшості біологів-еволюціоністів така невиявна сутність навряд чи здається гідною розгляду. Як стверджував Докінз, якщо видимість проєкту тепер можна повністю пояснити природними причинами, то, безсумнівно, простіше приписувати видимість проєкту безпосередньо таким причинам, а не використовувати додатковий фактор, невиявного проєктувальника. Хоча існування такого проєктувальника залишалося логічною можливістю, значна більшість еволюційних біологів і, безумовно, нових атеїстів відкинула цю ідею як непотрібне й неекономне пояснення. Принаймні неодарвінізм робить «теологічні пояснення» життя «зайвими», як пише еволюційний біолог Дуґлас Футуйма.
Однак інші науковці стверджували, що раз наука остаточно не спростувала існування Бога, вона не обов’язково суперечить релігійним віруванням, хоча явно теїстичні пояснення походження та розвитку життя можуть бути непотрібними. Ті, хто підтримує цей погляд, зазвичай зображають науку та релігію як такі окремі справи, що їхні вчення не перетинаються суттєвим чином. Вони також зазвичай заперечують, що правильно зрозуміла теїстична релігія робить будь-які фактичні твердження про людську або природну історію; її претензії стосуються лише моралі та сенсу. Наприклад, палеонтолог Стівен Джей Ґулд у своїй книжці «Скелі віків» (Rocks of Ages) висунув ідею про те, що наука та релігія – приклади абсолютно окремих форм дослідження, що розглядають абсолютно різні види питань. Він стверджував, що кожна з них має повноваження говорити лише у своїх окремих сферах, відображаючи те, що він назвав їхніми «неперекривними магістеріями» (nonoverlapping magisteria), що звично скорочують як NOMA.
Хоча Ґулд, агностик із сильними атеїстичними нахилами, висунув цей погляд у 1999 році як своєрідну оливкову гілку для релігійних вірян, багато теїстів уже висунули подібні формулювання. Британський нейробіолог Доналд Маккей (Donald MacKay), фізик Говард Ван Тіл (Howard Van Till) і біолог Джин Понд (Jean Pond) розробили дві такі моделі, відомі як комплементарність/доповняльність (пов’язана з Маккеєм і Ван Тілем) і компартменталізм або незалежність (пов’язана з Пондом). Видатні теологи та філософи, такі як Карл Барт, Серен К'єркеґор і Мартін Бубер стверджували подібні погляди. Як і концепція NOMA Гулда, ці моделі обстоювали релігійну та метафізичну нейтральність усього наукового знання.
Прихильники компартменталізму та доповняльності розробили свої моделі для захисту теїстичної віри від агресивного філософського матеріалізму багатьох теоретиків конфлікту. Попри це, прихильники цих моделей загалом визнають неспроможність науково обґрунтованих теїстичних аргументів. Натомість прихильники незалежності та доповняльності (або «партнерства» лексиконом Ван Тіла) стверджують, що матеріалістичні теорії походження не обов’язково суперечать теологічним твердженням про створення, бо Бог, можливо, використав дарвіністські чи інші подібні матеріалістичні процеси для створення нових форм життя. На їхню думку, твердження науковців про безцільність еволюції не наукові твердження самі по собі, а натомість представляють «еволюціонізм» – «позанаукову» або «псевдонаукову» апологетику філософського матеріалізму. Попри це, прихильники незалежності та доповняльності загалом погодилися з переконаними дарвіністами в одному пункті. І ті, і ті заперечують, що докази розумного проєкту науково виявні, і ті, і ті погоджуються загальніше, що наукові докази не дають і не можуть забезпечити позитивної підтримки теїстичної віри.
Очевидно, що саме існування перспектив незалежності та доповняльності показує, що зникнення теїстичних аргументів не знищило теїстичної віри навіть серед науковців. Деякі видатні науковці дев’ятнадцятого століття, такі як Майкл Фарадей, Луї Аґасіз, і Джеймз Клерк Максвел, гіганти у відповідних галузях хемії, палеонтології та фізики, навіть продовжували розвивати природну теологічну традицію, започатковану Бойлем і Ньютоном. Однак багато теїстів у науках відтоді прийняли розрізненіший погляд на відносини між наукою і релігією.
Отже, смерть теїстичних аргументів і піднесення наукового матеріалізму докорінно змінили умови взаємодії між наукою і релігією. Хоча багато науковців почали вважати свідчення науки ворожим теїстичному світоглядові, інші стали вважати його цілком нейтральним. Проте мало хто думав – на відміну від засновників ранньої модерної науки, як Кеплер, Бойл та Ньютон – що свідчення природи (або науки) насправді підтримують віру в Бога. До початку двадцятого століття наука, попри теїстичні початки, здавалося, не потребувала гіпотези про Бога.

неокономне
пресущний - передві́чний?

дякую. Хай буде пресущий

Частина ІІ
Повернення гіпотези про Бога
4
Світло від далеких галактик
Протягом століть науковці та філософи замислювалися над походженням Всесвіту. Чи мав він початок? Чи завжди він був тут?
Можливо, вони повинні були знати, але вони цього не знали. І філософи, і науковці довго намагалися відповісти на це питання, міркуючи лише на основі логічних чи теологічних принципів. Проте, роблячи це, вони не звернули увагу на той факт, який давно дивився всім – принаймні кожному, хто коли-небудь бачив і споглядав нічне небо – в обличчя. Як не дивно, але першим це зрозумів поет.
Починаючи з класичної античності, більшість філософів вважала, що Всесвіт існував вічно. Арістотель, як я вже згадував, стверджував вічний Всесвіт без початку в часі. Він стверджував, що віра в скінченний у часі Всесвіт тягне за собою логічну суперечність. Він думав про час як про низку пов’язаних моментів, кожен з яких має початок і кінець, що з’єднуються з початком наступного моменту і виходять з кінця попереднього. Якщо Всесвіт почався з першого моменту часу, він повинен був виникнути з кінця ранішого моменту. Але сказати, що це означало, що момент часу існував до початку часу, очевидно, неможливо. Що може бути суперечливішим, ніж говорити про час до початку часу? Для Арістотеля будь-які міркування про початок часу логічно приводили саме до такого абсурду.
Під час пізньої античності та Середньовіччя, чи то з теологічних, чи з філософських підстав, багато єврейських і християнських філософів порвало з мисленням Арістотеля. Авґустин, Тома Аквінський, Маймонід, Бонавентура та інші підтвердили юдео-християнську ідею створення ex nihilo, а разом з нею й ідею про те, що Всесвіт має певний часовий початок.
Середньовічні прихильники космологічного аргументу Калама вважали, що можуть довести цю ідею, показавши абсурдність того, що філософи називали «фактичними нескінченностями». Якщо минуле нескінченно старе, то дістатися від минулого до сьогодення було б як намагатися піднятися до поверхні землі з безмежно глибокої діри – з бездонної ями. Як охарактеризував цю проблему один сучасний філософ, «не можна було б досягти опори в... [нескінченній часовій] серії, щоб навіть почати, бо щоб дійти до будь-якого моменту, потрібно вже перетнути нескінченність». Середньовічні теологи та філософи, такі як Авґустин, Аквінський і Маймонід, лише вірою стверджували, що Всесвіт має початок, переконуючи, що розум так чи інакше не може розв’язати це питання.
Філософи та науковці також цікавилися тим, містить Всесвіт кінцевий чи нескінченний простір. Хоча Арістотель вважав, що Всесвіт існував нескінченно довго, він також думав, що той містить лише скінченний об’єм простору, що простягається до найвіддаленішої від центру сфери, відомої як квінтесенція. Навпаки, стоїки, пізніша філософська течія в стародавньому світі, наполягали на тому, що нескінченна кількість простору (або порожнечі) оточує Землю з усіх боків. Хоча багато мислителів протягом Середньовіччя та наукової революції стверджували, що Всесвіт дійсно мав початок скінченний час тому, багато хто з цих же мислителів вважав, що Всесвіт простягається нескінченно далеко в усіх напрямах космосу. І Декарт, і Ньютон підтримували версії цієї ідеї, і, як уже зазначено, Ньютон виправдовував свою віру в нескінченність космосу на наукових і теологічних підставах. Однак віра в просторово нескінченний Всесвіт породила тривожний парадокс, відомий після 1820-х років як Ольберсів парадокс.

Натяки на скінченний Всесвіт
Ольберсів парадокс стосується таємниці темного нічного неба. Він названий на честь німецького астронома Гайнріха Вільгельма Ольберса (1758–1840), хоча обізнаність із головокруткою тривала майже 250 років, перш ніж вона дістала таку назву. Ольберс, ідучи за багатьма ранніми астрономами, визнав, що нескінченно великий Всесвіт із приблизно рівномірним розподілом зір або зоряних скупчень повинен мати абсолютно яскраве нічне небо.

Рисунок 4.1A. Рисунок 4.1B. Ольберсів парадокс. Світло зір на нічному небі з будь-яких відстаней заповнює різні частини нашого поля зору. Якби Всесвіт був нескінченно великим, а зорі чи галактики розподілені по ньому, кожна лінія зору закінчувалася б зорею чи галактикою. У цьому разі нічне небо здавалося б повністю освітленим і не залишалося б темних областей. Те, що нічне небо не виглядає повністю білим, говорить про те, що Всесвіт не є нескінченно великий.

Ольберс дійшов такого висновку, бо зрозумів, що якщо простір тягнеться без кінця і містить таку ж нескінченну кількість зір, то врешті будь-яка лінія зору закінчиться зорею (рис. 4.1). Тому кожна можлива цятка на небі повинна яскраво сяяти. Щоб зрозуміти, з чого це випливає, уявіть, що стоїте в лісі, оточеному деревами на різній відстані. Якби ліс продовжувався нескінченно в усіх напрямах, то хоч би якими широкими були дерева і якими б широкими були проміжки між деревами, що оточують вас, кожна лінія зору зрештою закінчувалася б деревом. І, отже, зелень лісу заповнила б усе ваше поле зору.
Протягом століть до Ольберса і відтоді, як коперинканський астроном Томас Діґез (Thomas Digges) уперше звернув увагу на головокрутку в 1576 році, науковці та філософи намагалися розгадати таємницю темного нічного неба. Пропонувалися різні розв’язки. Діґез стверджував, що на своєму довгому шляху через Всесвіт світло від дуже далеких зір може виснажитися і, отже, ніколи не досягти Землі. Інші думали, як і Ньютон спочатку, що у Всесвіті є нескінченна кількість простору, але не нескінченна кількість зір. Отже, більшість квадрантів космосу залишаться позбавленими зоряного матеріалу, а нічне небо виглядатиме переважно темним. Інші стверджували, що темні об’єкти на нічному небі, наприклад планети або нібито поширена, але невидна субстанція «етер», поглинатимуть світло зір до того, як воно досягне Землі, змушуючи нічне небо виглядати темним, навіть якщо зорі сяяли світлом уздовж кожної лінії зору на землю.
Нарешті, у 1848 році поет, а не астроном, сформулював пояснення – таке, яке випереджало на три чверті століття пізніше наукове відкриття, що врешті розв’яже Ольберсів парадокс на втіху науковцям. Поетом був американець, відомий своїм викликанням атмосфери моторошності й жаху: Едґар Алан По (рис. 4.2).

Рисунок 4.2. Поет-провидець Едґар Алан По.

У розширеному есе під назвою «Еврика: прозова поема» По спробував розв’язати парадокс, стверджуючи, що величезний простір Всесвіту не давав достатньо часу, щоб світло прибуло від далеких зір. Як він пояснив: «Єдиний спосіб, отже, яким ... ми могли б осягнути порожнечі, які наші телескопи знаходять у незліченних напрямах, було б припущення, що відстань невидного фону така величезна, що жоден промінь від нього ще не міг досягти нас».
Це правда, що астрономи до По також припускали, що світло від дуже далеких зір не може досягти нас. Але По мав інакше уявлення про причину цього. На відміну від попередніх мислителів, які вважали, що світло від далеких об'єктів може втомлюватися або що етер може блокувати його, По припустив, що Всесвіт недостатньо старий, щоб дати світлу достатньо часу, щоб дістатися до Землі з найвіддаленіших областей величезного нічного неба. І якщо він був недостатньо старим, це означало, що він не був нескінченного віку.
На думку По, якби наш нинішній Всесвіт існував нескінченно довго, то світло мало б достатньо часу, щоб досягти спостерігачів на Землі, навіть якби воно переміщалося з кінцевою швидкістю на велику відстань. Але якби наш Всесвіт існував лише скінченний час, то світло з надзвичайно віддалених куточків Всесвіту могло б не мати достатньо часу, щоб досягти нас тут, на землі. Так По розв’язав парадокс темної ночі – принаймні для власного задоволення.
По постулював інші ідеї походження Всесвіту, які мають разюче сучасний дух. Наприклад, він припустив, що Всесвіт почався з «первинної частинки», а потім розширювався шляхом «опромінювання сферично» в усіх напрямках у міру створення нових атомів. Ця теорія походження Всесвіту спонукала його запропонувати те, що сучасні астрономи вважають за правильний розв’язок Ольберсового парадоксу: Всесвіт має скінченний вік, тому світло встигло досягти нас лише від обмеженої кількості зір.
Більшості астрономів знадобилося б майже сімдесят п’ять років, щоб наздогнати міркування цього поета-провидця. І хоча темрява нічного неба могла змусити астрономів стверджувати, що Всесвіт у часі скінченний, врешті-решт не темрява, а світло від далеких зір – або асоціацій зір, які називаються галактиками – нарешті підказало їм.

Великі дебати
Попри передбачливість По, на початку двадцятого століття мало хто з фізиків і астрономів сумнівався в нескінченному віці Всесвіту з кількох причин. По-перше, фізики в дев’ятнадцятому столітті прийняли рамки ньютонівської фізики, разом із Ньютоновим твердженням про нескінченний простір, що для деяких означало нескінченний час. Крім того, наприкінці дев’ятнадцятого століття, коли геологи використовували виміряні темпи змін природних процесів для встановлення великої давнини Землі, багато науковців просто екстраполювало ці результати та застосувало їх до Всесвіту. Якщо Земля надзвичайно стара, міркували вони, то, можливо, Всесвіт нескінченно старий. Як зазначив фізик-теоретик Саймон Сінґг (Simon Singh) у своїй історії формулювання теорії Великого вибуху, у дев’ятнадцятому столітті «зростний уніформістський рух прийшов до консенсусу, що Землі понад мільярд років, а тому Всесвіт має бути ще старшим, можливо, навіть нескінченно старим». Чому стрибок від дуже старого до нескінченно старого? Сінґг продовжує: «Вічний Всесвіт, здавалося, вразив наукову спільноту, тому що теорія мала певну елегантність, простоту та завершеність. Якщо Всесвіт існував вічно, то не було потреби пояснювати, як він був створений, коли він був створений, для чого він був створений або хто його створив. Науковці особливо пишалися тим, що вони розробили теорію Всесвіту, яка більше не покладалася на звертання до Бога».
Дарма що на початку двадцятого століття сформувався консенсус щодо нескінченного віку Всесвіту, серед астрономів усе ще точилися суперечки щодо його розмірів. Гарлоу Шеплі (Harlow Shapley), видатний астроном з Гарвардської обсерваторії (обсерваторії Гарвардського коледжу) в 1920-х роках, стверджував, що наша галактика Чумацький Шлях містить весь Всесвіт, і він оцінив діаметр Чумацького Шляху (і, отже, самого Всесвіту) у відносно затишних 300 000 світлових років упоперек. Інші астрономи того часу почали сумніватися, що весь Всесвіт міститься в межах Чумацького Шляху, частково через спостереження за структурами в нічному небі, які називаються спіральними туманностями.
Туманності – це газоподібні області в космосі, видні простому оку або через телескоп. Газоподібний матеріал в туманності зазвичай огортає одну або кілька зір, і світло таких зір освітлює навколишній газ, створюючи разюче візуальне зображення.
У 1715 році відомий британський астроном Едмонд Галей (Edmond Halley) описав шість відомих туманностей, які тоді розуміли як будь-який вид хмаруватого небесного об'єкта. Протягом дальших двохсот років астрономи каталогізували дедалі більшу кількість таких астрономічних явищ і дізналися більше про їх структуру та склад. З винаходом великих телескопів, здатних розрізняти дрібні деталі на віддалених об’єктах, а також із розширенням використання фотографії, астрономи на початку двадцятого століття почали розрізняти конкретні цятки світла та великомасштабні структури в багатьох туманностях, припускаючи що деякі містять багато скупчень зір.
Це відкриття породило «Великі дебати» між Шеплі та Гебером Кертісом (рис. 4.3), астрономом з Ліцької обсерваторії на схід від Сан-Хосе, Каліфорнія. Спонсоровані Національною академією наук дебати відбулися навесні 1920 року в Смітсонівському інституті у Вашингтоні, округ Колумбія. Питання полягало в тому, чи становлять туманні «плями», видні на фотопластинках астрономів, розпливчатий газоподібний матеріал, що оточує окремі зорі в межах Чумацького Шляху, чи вони окремі «острівні всесвіти» або галактики за його межами.

Рисунок 4.3A. Рисунок 4.3B. Астрономи Гарлоу Шеплі та Гебер Кертіс, опоненти у «Великих дебатах».

Астрономи вважали це питання надзвичайно важливим. Якщо Чумацький Шлях охоплював усі відомі туманності, то його сплющена форма, відкрита Гершелом понад століття тому, ймовірно, обмежувала протяжність самого Всесвіту. Але якщо спіральні туманності – галактики самі по собі – галактики за межами Чумацького Шляху, то, звісно, Всесвіт має простягатися далеко за межі нашої галактики, а Чумацький Шлях був лише однією з багатьох галактик.
Під час дебатів Шеплі продовжував стверджувати, що край галактики Чумацький Шлях визначає зовнішні межі Всесвіту. Щоб захистити цю думку, йому довелося заперечити, що спіральні туманності – окремі галактики. Натомість він стверджував, що вони скупчення газів або хмар всередині самого Чумацького Шляху. Кертіс дотримувався протилежного погляду.
Через кілька років Едвін Габл (Edwin Hubble), молодий юрист, який став астрономом (рис. 4.4), розв’язав це питання, рішуче спростувавши Шеплі. Але його здатність зробити це залежала від неоспіваного героя астрономії, який раніше працював у відносній невідомості протягом перших кількох років двадцятого століття.

Рисунок 4.4. Астроном Едвін Габл.

Драбина космологічної відстані
Генрієта Лівіт (Henrietta Leavitt) (1868–1921) почала досліджувати фотопластини зір у Гарвардській обсерваторії спочатку як неоплачуваний волонтер, пізніше як «комп’ютер», як тоді називали людських табуляторів, і, нарешті, як астроном. Комп’ютерами часто були жінки, як ви могли дізнатися, якщо бачили фільм 2016 року «Приховані фігури». Гарвардська обсерваторія наймала жінок для сканування фотопластин, каталогів зір та інших небесних явищ у той час, коли мало жінок брало участь в астрономічних дослідженнях.
Використання фотопластин покращило астрономію, бо з часом вона могла вловити більше світла, ніж людське око. При тривалій експозиції зорі, надто тьмяні, щоб їх можна було побачити простим оком або навіть через телескоп, все одно залишали б чіткі зображення на пластині. Лівіт (рис. 4.5), яка була глуха через хворобу, яку перебула після закінчення Редкліфського коледжу, мала надзвичайну здатність аналізувати яскраві плями світла на пластинах, розпізнавати й каталогізувати зорі. Виконуючи це, вона зробила відкриття, яке допомогло б розв’язати Великі дебати.

Рисунок 4.5. Генрієта Лівіт, астрономка, відкриття якої про змінні зорі цефеїди дали змогу астрономам обчислити відстані до далеких галактик.

Лівіт зацікавилася типом пульсівної зорі, відомої як (змінна) цефеїда. Те, що вона виявила про ці зорі, дало змогу астрономам визначити – за допомогою довгого ланцюга міркувань – відстані до галактик, у яких можна було спостерігати цефеїди. Це, своєю чергою, дало змогу їм визначити, що багато галактик містяться так далеко, що вони не можуть перебувати в нашому Чумацького Шляху.
Те, як Лівіт та іншим астрономам вдалося це зробити, – один із найбільших детективів в історії астрономії. Лівіт виявила, що яскравість цефеїд у туманній структурі, що називається Малою Маґелановою Хмарою, коливається з періодом, який корелює з величиною їх яскравості. Лівіт помітила: що довший період коливань від яскравого до тьмяного і знову до яскравого (у днях), то більша позірна яскравість зір цефеїд (рис. 4.6).
Технічно кажучи, «позірна яскравість» – це яскравість зорі, виміряна за допомогою фотометра, пристрою, який вимірює інтенсивність світла. Фотометри підраховують кількість окремих частинок світла, які називаються «фотонами», що надходять у задану область детектора за секунду. Абсолютна яскравість, з іншого боку, – це яскравість гіпотетичної зорі, виміряна на певній заданій відстані від Землі (це 32,6 світлового року, або 10 парсеків). А що абсолютні показники яскравості калібруються за допомогою стандартного вимірювання відстані, абсолютна яскравість змінюється лише залежно від пульсації, тоді як позірна яскравість змінюється як із частотою пульсації, так і з відстанню.
Щоб зрозуміти, чому ця відмінність між абсолютною і позірною яскравістю має значення для астронома, який намагається визначити відстань до світних об’єктів, уявіть собі, що дивитеся на світло, що виходить від ліхтарного стовпа, крізь туман, прогулюючись вночі парком. Якщо ви бачите в парку світло, яке здається вам надзвичайно яскравим, то можете пояснити цю позірну яскравість тим, що світло дуже близько. Або ви можете пояснити яскравість світла надзвичайно високою потужністю лампочки, розташованої на іншому боці парку. Іншими словами, яскравість, яку ви спостерігаєте, може бути результатом або близькості, або надзвичайно високої яскравості джерела світла. Якщо ви не знаєте відстані до світла, то не можете визначити, як яскраво світло світить біля свого джерела, просто знаючи, яким яскравим воно здається вам.

Рисунок 4.6. Змінні зорі цефеїди. Що яскравіша зоря, то довший період коливань світла від яскравого до тьмяного і знову яскравого.

Астрономи вже давно стикаються з подібною проблемою у використанні позірної яскравості для обчислення абсолютної яскравості та відстані. Астрономи можуть безпосередньо визначити позірну яскравість цефеїди змінної (або будь-якої) зорі шляхом спостереження за допомогою фотометра. Вони також знають, що інтенсивність світла зменшується з відстанню. (Конкретно, інтенсивність світла зменшується залежно від квадрата відстані або коефіцієнта 1/d2.) Отже, вони можуть обчислити абсолютну яскравість зірки за її позірною яскравістю, але лише якщо вони знають відстань до зорі.
Однак, через те що відстань до Малої Маґеланової Хмари була невідома, Лівіт не змогла визначити абсолютну яскравість зір у хмарі за їх позірною яскравістю. Однак вона могла скласти графік того, як змінюється як позірна, так і абсолютна яскравість з періодом коливання цефеїд. Через те що всі цефеїди в Малій Маґелановій Хмарі були приблизно на однаковій відстані від Землі, міркувала вона, спостережувані відмінності в позірній яскравості цих зір були пропорційні відмінностям в абсолютній яскравості. Отже, коли астрономи креслять графіки періодів коливань для цих цефеїд їх позірної та абсолютної яскравості, дві отримані лінії обов’язково паралельні одна одній із послідовним зміщенням на типі графіка, відомому як графік у подвійному логаритмічному масштабі (де зміщення відображає, як світло розсіюється з відстанню). Попри це, Лівіт усе ще не знала відстані до Малої Маґеланової Хмари, тому вона не могла визначити абсолютну яскравість будь-якої заданої зорі в галактиці. Щоб визначити її, астрономи повинні були знайти принаймні одну цефеїду відомого періоду – десь – відстань до якої вони могли б виміряти.
1913 року данський астроном Айнар Герцшпрунг (Ejnar Hertzsprung) (1873–1967) використав метод, відомий як статистичний паралакс, щоб визначити приблизну відстань до групи з тринадцяти цефеїд, відносно близьких до Сонця. А що він міг виміряти позірну яскравість і періоди пульсації цих цефеїд, то міг розрахувати абсолютну яскравість цефеїд у цій групі, використовуючи своє нещодавно обчислене вимірювання відстані. Потім він використав свої знання про середню абсолютну яскравість групи як цілого, щоб визначити відстань до Малої Маґеланової Хмари.
Ось як він це зробив. Спочатку він знайшов цефеїду в Малій Маґелановій Хмарі з таким же періодом пульсації, що й середнє значення групи, яку він вивчав ближче до Сонця. А що всі цефеїди з однаковим періодом мають однакову абсолютну яскравість, то тепер він міг визначити абсолютну яскравість цієї конкретної цефеїди в Малій Магеллановій Хмарі з відомого періоду її пульсації. Дійсно, ця цефеїда обов’язково мала б таку ж абсолютну яскравість, що й середня для групи поблизу Сонця (бо вона мала ту саму частоту пульсації, що й ця група). А що він також знав відповідну позірну яскравість цієї цефеїди в Малій Маґелановій Хмарі (використовуючи графік на основі вимірювань Лівіт), то тепер він міг обчислити відстань до цієї цефеїди в Малій Маґелановій Хмарі, а отже до самої хмари. Після того, як Герцшпрунг дізнався відстань до Малої Маґеланової Хмари, він міг обчислити абсолютну яскравість будь-якої цефеїди в хмарі з її позірної яскравості. Потім, зіставивши спостережуваний період пульсації інших цефеїд у Всесвіті з іншими на тому ж графіку, що показує, як абсолютна яскравість змінюється з періодом пульсації, він міг визначити відстань до будь-якої змінної зорі цефеїди у Всесвіті (якщо він виміряв її позірну яскравість).
Цей «бутстрепінг»-метод став частиною того, що тепер називають «драбиною [або шкалою] космологічних відстаней» – перекривні системи різних методів вимірювання, за допомогою яких астрономи встановлюють відому відстань до відносно близького об’єкта, а потім використовують різні методи для визначення відстаней від відомих до невідомих, крок за логічним кроком.
Попри це, використання цих методів для обчислення відстані до Малої Маґеланової Хмари в 1913 році все ще не розв’язало Великих дебатів. Герцшпрунг розрахував відстань до Малої Маґеланової Хмари – приблизно 30 000 світлових років. Проте в той час астрономи ще не знали протяжності Чумацького Шляху, тому вони не знали, чи потрапила Мала Маґеланова Хмара в Чумацький Шлях, чи, можливо, воно лежить за його межами. У будь-якому разі, небагато астрономів спочатку звертало велику увагу на значення результатів Герцшпрунга.

Галактичні відстані і Великі дебати
Нарешті в історію входить Едвін Габл. Використовуючи найпотужніший на той час у світі телескоп – інструмент діаметром 100 дюймів (рис. 4.7) на горі Вілсон у горах Сан-Габріель над Пасаденою, Каліфорнія, Габл зробив відкриття, використавши висновки Лівіт і Герцшпрунгів метод вимірювання відстані й розв’язавши Великі дебати. Габл проаналізував 40-хвилинну експозицію M31, туманності Андромеди, яка виявилася набагато далі від Землі, ніж Мала Маґеланова Хмара. Фотопластини Габла показали те, що він спочатку вважав трьома новими. (Нова зоря – це зоря, яскравість якої різко збільшується, а потім поступово зменшується, зазвичай протягом кількох місяців.) Аналізуючи варіації на фотопластинці, він пізніше зрозумів, що три зорі насправді були двома новими і однією змінною зорею цефеїдою.
На таблиці поруч із цефеїдою Габл схвильовано видряпав «N» для нової та написав «VAR!» (для змінної). Він знав про висновки Лівіт і Герцшпрунгів метод, який показує, як змінні цефеїди можуть допомогти обчислити абсолютну яскравість і, отже, відстань. Тож, визначивши, що цефеїда в Андромеді світлішала і тьмянішала протягом 31,415 дня, він розрахував її абсолютну яскравість, а потім різницю між її абсолютною яскравістю та позірною (як визначену з його фотопластин). Це, своєю чергою, дало змогу йому визначити відстань до зорі в туманності Андромеди. Результат? Його розрахунок показав, що зоря міститься на відстані приблизно 900 000 світлових років від Землі. Проте Гарлоу Шеплі якраз підрахував, що Чумацький Шлях простягнувся лише на 300 000 світлових років. Це означало, що відстань до туманності Андромеди втричі більша, ніж загальний розмір Чумацького Шляху, раніше передбачуваного максимального розміру Всесвіту, розрахованого Шеплі.

Рисунок 4.7. Едвін Габл спостерігає нічне небо через телескоп Гукера в обсерваторії Маунт-Вілсон у Каліфорнії.

Висновок Габла: галактика Андромеди розташовується далеко за межами Чумацького Шляху, і Всесвіт має бути набагато більшим, ніж уявляли Шеплі та інші астрономи. Отже, Андромеда була не хмарою газу чи групою зір у межах Чумацького Шляху, а окремою галактикою! Це відкриття привело до іншого відкриття, яке зробило революцію в космології. Як і його перше відкриття, друге відкриття Габла також спиралося на роботу іншого відносно невідомого і менш знаменитого астронома.

Спектроскопія та відкриття червоного зсуву
Весто Слайфер (рис. 4.8) народився через десять років після закінчення громадянської війни і дожив до того, коли перші люди ступили на Місяць. У 1912 році, до того як Габл почав використовувати 100-дюймовий телескоп на горі Вілсон і до того, як він залагодив Великі дебати, Слайфер використав менший, 24-дюймовий, телескоп і нові методи в галузі, відомій як спектроскопія, щоб задокументувати цікаву особливість світла, що виходить із слабких туманностей. Ця робота привела до відкриття, такого ж важливого, як і «гігантський стрибок людства» Ніла Армстронга.

Рисунок 4.8. Весто Слайфер, астроном, який вперше виявив червоне зміщення світла, що виходить від далеких туманностей.

Спектроскопія – це дослідження світла, що випромінюється або поглинається хемічними елементами, а також характерних довжин хвиль, частот і кольорів цього світла. Коли світло проходить крізь призму, воно розділяється на різні кольори, кожен з яких має різну довжину хвилі та відповідну частоту (більша довжина хвилі відповідає нижчим частотам коливань світла, а коротша довжина хвилі – вищим). Фізики називають весь діапазон цих довжин хвиль, зокрема тих, які не видно людському оку, «електромагнетним спектром».
Вони називають процес, за допомогою якого певний хемічний елемент випромінює світло певної довжини хвилі, «спектроскопічним випромінюванням». Фізики називають протилежний процес, коли хемічний елемент (зазвичай у газоподібній формі) поглинає певні частоти або довжини хвилі світла, «спектроскопічним поглинанням».
Короткий екскурс в атомну теорію та оптику допоможе пояснити, чому світло, що надходить від далеких зір, виявилося таким важливим. Коли атом отримує енергію від зіткнення з іншим атомом, електроном або фотоном світла, кажуть, що атом стає «збудженим». При збудженні електрони в атомі стрибають на вищі енергетичні рівні. «Збуджені» електрони швидко опускаються на нижчі енергетичні рівні, що приводить до випромінювання фотонів з енергіями, що дорівнює різницям між енергетичними рівнями (рис. 4.9). Вищі енергетичні рівні відповідають більшим середнім відстаням між електронами і ядром. Найважливіше те, що енергія випроміненого фотона прямо пропорційна його частоті й обернено пропорційна його довжині хвилі.

Рисунок 4.9. Спектральні світлові випромінювання. Коли атоми отримують енергію від інших атомів, електронів або фотонів, вони переходять на вищі енергетичні рівні. Такі «збуджені» електрони потім швидко опускаються на нижчі енергетичні рівні, що приводить до випромінення фотонів з енергіями, що дорівнюють різницям між енергетичними рівнями. Енергія випроміненого фотона прямо пропорційна його частоті й обернено пропорційна довжині хвилі.

Рисунок 4.10. Різні хемічні елементи випромінюють різну комбінацію певних довжин хвиль світла в так званому емісійному спектрі.

Кожен конкретний атомний елемент – водень, гелій, ртуть, неон чи кисень – має багато унікальних енергетичних рівнів. Це означає, що коли певний елемент збуджує електрони, які падають на нижчі енергетичні рівні, атом випромінює фотони з дуже специфічними частотами та довжинами хвиль, що відповідають різницям енергії між відповідними рівнями. А що водень, наприклад, має енергетичні рівні, відмінні від, скажімо, гелію або кисню, то він буде випромінювати комбінацію фотонів з довжинами хвиль, відмінними від довжин хвиль інших елементів.
Ці патерни (рис. 4.10) довжин хвиль питомої емісії відомі як «спектральні лінії», бо вони становлять дискретний набір довжин хвиль у спектрі або діапазоні можливих довжин хвиль електромагнетного проміння. А що кожен хемічний елемент має свій власний характерний патерн (лінії випромінювання або поглинання та відстані між ними), то астрономи можуть використовувати ці патерни для визначення елементного складу галактик і зір на основі світла, що йде від них. А що у Всесвіті більше водню, ніж будь-якого іншого елемента, то його лінії часто найдомінантніші та легко ідентифіковані.

Рисунок 4.11A. Астрономи виявили, що далекі галактики віддаляються одна від одної та від Землі. Отже, світло, що випромінюється на заданій довжині хвилі від далеких зір, буде виглядати розтягнутим або «зсунутим у червоний бік». Ба більше, що далі галактики від Землі, то швидше вони будуть віддалятися від нас і то більше довжини світлових хвиль, що виходять від них, будуть розтягуватися.

Рисунок 4.11B. Світло, що йде від галактики, яка віддаляється від Землі, виглядає «зміщеним у червоний колір», бо довжини хвилі світла, що надходить з цієї галактики, розтягуються або подовжуються. Світло, що йде від галактики, яка рухається до Землі, виглядає «зсунутим у синій бік», бо довжини хвилі світла, що виходить з цієї галактики, стискаються, або коротшають.

Використовуючи ці знання, Весто Слайфер вивчив спектри планет, зір та інших тіл і визначив їх класифікацію, елементний склад і температуру. У 1912 році він почав вимірювати світло, що виходить від спіральних туманностей, і виявив для кожної туманності розпізнавані спектральні лінії, що вказують на наявність певних елементів.
Він також виявив, що туманності зазвичай демонструють спектральні лінії, які групою en masse всі разом зміщуються до червоного (більшої довжини хвилі) кінця електромагнетного спектра. Іншими словами, спектральні лінії були на більших довжинах хвиль, ніж лабораторні спектри для будь-якого заданого елемента, хоча характерний патерн спектральних ліній (специфічна відстань між лініями) був приблизно однаковий для кожного елемента.
Слайфер уже знав, що викликало такі зсуви довжини хвилі. У 1848 році австрійський фізик і математик Крістіан Доплер виявив, що відносний рух об'єкта впливає на хвилі, що поширюються від нього. Наприклад, звукові хвилі від свистка поїзда жужмляться, коли потяг наближається до спостерігача, і розтягуються, коли потяг віддаляється від того самого спостерігача. Це явище приводить до того, що звук свистка поїзда збільшується за висотою (скорочується довжина хвилі), коли він наближається, і знижується (подовжується довжина хвилі), коли потяг віддаляється.
Це явище відоме як ефект Доплера. Він також впливає на хвилі світла. Щодо світла, довжини хвилі скорочуються, якщо вони виходять від об’єкта, що рухається до спостерігача, і подовжуються, якщо йдуть від об’єкта, що віддаляється від спостерігача (рис. 4.11). А що більша довжина хвилі відповідає червонішому світлу в електромагнетному спектрі, а коротша довжина хвилі відповідає синьому світлу, то світло від об’єкта, що наближається, буде виглядати синішим, а світло від об’єкта, що віддаляється, червонішим.

Рисунок 4.12A. Рисунок 4.12B. Дві оригінальні фотопластинки Едвіна Габла, на яких зображені спіральні галактики.

Ще в 1868 році британські астрономи Вільям і Маргарет Гаґінзи (Huggins) виявили, що світло зір демонструє такий доплерівський зсув. Вони зробили це відкриття, аналізуючи склад Сіріуса, сусідньої зорі в Чумацькому Шляху. Слайфер виявив, що окремі зорі, які, як ми тепер знаємо, розташовані всередині Чумацького Шляху, можуть демонструвати або синій, або червоний зсув, який вказує на те, що вони можуть рухатися або від Землі (зсув у червоний бік), або до (зсув у синій бік). Але він також виявив, що нечіткіші спіральні туманності зазвичай демонструють набагато більший червоний зсув, що свідчить про те, що вони віддаляються надзвичайно швидко.
Як ми бачили, у 1920-х роках Габл визначив, що спіральні туманності повинні лежати далеко за межами Чумацького Шляху, а отже вони повинні представляти окремі галактики. Ба більше, гігантський телескоп, за допомогою якого він міг спостерігати ці галактики, дав змогу йому збирати більше світла з них і записувати дрібніші деталі на фотопластинки. Отримані зображення підтвердили, що спіральні туманності (рис. 4.12a; 4.12b) були не окремими близькими (можливо, такими, що формувалися) зорями, а самими по собі галактиками.
Наступний крок Габла був революційний. Вивчаючи вимірювання червоного зсуву Слайфера, а також спектральні дослідження червоного зсуву, проведені астрономом з гори Вілсон Мілтоном Гамасоном (Milton Humason), він виявив ще значущіший зв’язок. Червоний зсув, пов’язаний з різними галактиками на різних відстанях, показав, що віддаленіші галактики віддаляються швидше, ніж ближчі. Насправді, коли Габл побудував рецесійну швидкість та відстань від Землі різних галактик, він виявив точну лінійну залежність між рецесійною швидкістю та відстанню.
На графіках Габла зображена пряма лінія, яка приблизно виражає просте правило: що далі, то швидше (рис. 4.13). За інших рівних умов, якщо одна галактика вдвічі віддаленіша від Землі, ніж інша, вона буде віддалятися відносно Землі вдвічі швидше, ніж інша, ближча, галактика. Іншими словами, Габл виявив, що швидкість, з якою інші галактики відходять від нашої, безпосередньо корелює з їх відстанню від нас – так само як ніби Всесвіт зазнає сферичного розширення, як повітряна куля, що роздувається в усіх напрямах з єдиного початку.

Рисунок 4.13. Галактична рецесія (віддалення) та закон Габла. Цей кресленик показує рецесійну швидкість кількох галактик, нанесену на графік, залежно від їх відстані до Землі. Він встановлює: що далі галактики від Землі, то швидше вони віддаляються від нас. Ця лінійна залежність між рецесійною швидкістю та відстанню відома як закон Габла. (Парсек – це одиниця відстані, яка використовується в астрономії.). Див.: Hubble, “A Relation Between Distance and Radial Velocity Among Extra-Galactic Nebula”, 172.

Відкриття Габлом розширного Всесвіту (рис. 4.14) мало теоретичне та філософське значення. Якщо різні галактики віддаляються від нашої галактики та одна від одної в прямому напрямі часу, то в будь-який момент у кінцевому минулому галактики були б ближче одна до одної, ніж сьогодні. Якщо екстраполювати назад, щоб визначити положення галактик у будь-який момент у минулому, галактики ставали б не тільки дедалі ближчими одна до одної, але й врешті всі галактики зійшлися б, збившись одна на одну в певний момент у минулому. Момент, коли галактики зійдуться, знаменує собою початок розширення Всесвіту і, можливо, початок самого Всесвіту.
Коли я пояснюю концепцію розширного Всесвіту студентам або під час публічних доповідей, то часто ілюструю цю концепцію, надуваючи кулю зі спіральними галактиками, намальованими на поверхні маркером. Коли я надуваю повітряну кулю, намальовані вручну галактики на поверхні повітряної кулі віддаляються одна від одної все далі й далі. Галактики у Всесвіті роблять те саме – це результат розширення самого простору. Ба більше, галактики, які спочатку перебувають далі одна від одної, розбігаються одна від одної швидше, ніж галактики, які спочатку перебувають ближче одна до одної, що свідчить про те, що модель сферичного або рівномірного розширення добре пояснює спостереження Габла. Здуваючи повітряну кулю, я можу також проілюструвати, як матеріал у Всесвіті був би все ближчий і ближчий один до одного в місцях, що все далі й далі в минулому, припускаючи, що матерія, яка становить галактику, походила б з однієї початкової точки, що позначає початок розширення Всесвіту.

Рисунок 4.14. Розширення Всесвіту. Розширення Всесвіту після Великого вибуху. Спочатку після виникнення Всесвіту простір був заповнений гарячою аморфною плазмою. Потім, приблизно через 380 000 років після Великого вибуху, плазма застигла в атоми. Пізніше гравітаційне притягання змусило атоми об’єднатися в зорі та галактики.

Звісно, справжній Всесвіт містить галактики в межах розширного простору, а також на «краї» космосу, тому аналогія з повітряною кулею має свої межі. З цієї причини астрономи також іноді думають, що маківник насправді дає кращу картину розширення Всесвіту. Перед випіканням мак розподіляють по всьому пирогу. Коли пиріг піднімається і розширюється під час випікання, кожне зернятко в коржі віддаляється від усіх інших. Маковий пиріг також ілюструє, чому астрономи не думають, що ми можемо знати, де міститься наша галактика Чумацький Шлях у величезному просторі самого Всесвіту. Якщо ми уявимо, що ми сидимо на будь-якому маковому зерні (або галактиці), всі інші зерна (або галактики) віддаляться від нас, коли пиріг піднімається (або розширюється Всесвіт), незалежно від того, де (або на якому насінні чи галактиці) ми випадково сидимо.
У будь-якому разі відкриття Габла означало розширний Всесвіт у прямому напрямі часу і кінцевий Всесвіт з певним початком у далекому минулому. Його відкриття означало, що Всесвіт розширюється і має початок, як і передбачав момент «Еврики» Едґара Алана По три чверті століття тому.

наковці

поправив. дякую

5
Теорія Великого вибуху
Доказ галактичного червоного зсуву, що свідчив про розширення Всесвіту, був разючий. Але він став ще важливішим, та революційнішим, коли його поєднали з новою теорією гравітації Альберта Айнштайна, відомою як загальна теорія відносності. Хоча Айнштайнова теорія (рис. 5.1) провіщала відкриття Габла, сам Айнштайн спочатку відкидав пропозицію про розширення Всесвіту. Попри це, його робота створила рамки, в яких можна було б зрозуміти відкриття Габла. Згодом синтез Айнштайнової теорії гравітації з доказом розширення Всесвіту зі спостерігальної астрономії став відомий як теорія Великого вибуху.

Рисунок 5.1. Фізик Альберт Айнштайн, що розробив спеціальну та загальну теорії відносності.
У 1915 році Айнштайн шокував науковий світ своєю загальною теорією відносності. Побудував він її на основі своєї попередньої спеціальної теорії відносності. Остання підтверджує контрінтуїтивну ідею про те, що відстань і час відносні в тому сенсі, що два спостерігачі, які рухаються з різними швидкостями, сприйматимуть час і простір по-різному.

До такого висновку Айнштайн дійшов, використовуючи серію уявних експериментів (рис. 5.2). В одному з них він уявляв, що сидить у поїзді, який прямує від годинникової вежі зі швидкістю світла. Через те що світло, яке виходить від годинника, передавало інформацію про зміну положення стрілок годинника, тобто про хід часу, він зрозумів, що, якщо рухатиметься зі швидкістю близькою до світлової, інформації про рух стрілок годинника буде потрібно все більше і більше часу, щоб наздогнати його, коли він віддалятиметься від годинника на все вищій і вищій швидкості і наближатиметься все ближче і ближче до швидкості світла.

Рисунок 5.2. Затримка часу. Відповідно до Айнштайнової спеціальної теорії відносності, для спостерігача в рухомій системі відліку, як-от космічний корабель, час сповільнюється, коли цей рухомий об’єкт наближається до швидкості світла. Цей рисунок зображує основу Айнштайнової інтуїції, показуючи, що, коли космічний корабель віддаляється від годинникової вежі з високою швидкістю, інформації про хід часу, яку передають рухомі стрілки на годиннику (і послідовні спалахи світла, що виходять з вежі), буде потрібно більше часу, щоб дістатися до космічного корабля, ніж до стаціонарного спостерігача ближче до вежі. Отже, для космонавта час біля годинника буде рухатися повільніше.

Тож Айнштайн зрозумів, що він спостерігатиме час, виміряний біля годинника (у його «системі відліку»), як сповільнення проти часу в його власній системі відліку на борту швидкісного поїзда. Проте стаціонарний спостерігач біля годинника (або спостерігач, що рухається повільно відносно швидкості світла) помітив би, як годинник цокає набагато швидше (або «звичайно») в цій системі відліку.
Айнштайнове усвідомлення того, що сприйняття часу залежить від швидкості спостерігача відносно спостережуваного об’єкта, відоме як «розтяг часу». Фізики фактично виміряли розтяг часу, синхронізуючи високоточні атомні годинники та порівнюючи хід часу на надзвуковому літаку з часом, виміряним на стаціонарному годиннику.
За допомогою подібного аналізу Айнштайн усвідомлював, що просторові вимірювання також повинні розтягуватися (або скорочуватися) зі швидкістю, що наближається до швидкості світла. Космічний корабель, що проходить повз спостерігача зі швидкістю, що наближається до швидкості світла, буде виглядати коротшим за напрямком руху, ніж спостерігачеві на борту або будь-якому спостерігачеві, що не рухається відносно космічного корабля.
Уявні експерименти Айнштайна показали, що наші вимірювання простору і часу фундаментально пов’язані між собою. Наше сприйняття часу залежить від того, як швидко ми рухаємося крізь простір; наше сприйняття простору залежить від того, як швидко ми рухаємося в часі. Цей зв’язок підказав йому нову сутність – просторочас (spacetime). Просторочас поєднує змінну часу (t) з трьома просторовими змінними (x, y, z) у чотиривимірному континуумі (x, y, z, ct), де c представляє швидкість світла.
Просторочас лежав в основі його загальної теорії відносності, нового погляду на те, як працює гравітаційне притягання. Тоді як Ньютон розглядав гравітацію як силу між об’єктами, що мають масу, Айнштайн переформулював гравітацію як геометричну властивість просторочасу, щось, що він бачив як багатовимірну «тканину», яку об’єкти, що мають масу, можуть деформувати.
Подібно до того, як куля для боулінгу, поставлена на великий батут, робить заглиблення на його поверхні, така велика маса, як-от Сонце, вигинає або понижчує тканину просторочасу. Що більшу масу має об'єкт, то більша деформація або западина. Об’єкти з меншою масою «падають» у западину в просторочасі, викликану об’єктами з більшою масою, подібно до того, як тенісні м’ячі на краю батута котяться в западину, створену кулею для боулінгу, розміщеною в його центрі. Отже, загальна теорія відносності та Айнштайнові рівняння поля, що виражають теорію математично, описують, як викривлений простір впливає на рух масивних об’єктів і як масивні об’єкти викривляють простір. Або, як талановито підсумував теорію фізик Джон Арчібалд Вілер: «Простір вказує матерії, як рухатися, а матерія вказує просторові, як вигинатися».
Астрономи підтвердили Айнштайнову теорію експериментально. Вони спочатку зробили це, показавши, що вона краще пояснювала раніше незрозумілий зсув орбіти Меркурія, ніж Ньютонова теорія. Потім, у 1919 році, геніальний експеримент показав, що, як і передбачає загальна теорія відносності, саме світло згинається, коли воно проходить повз масивні об’єкти. Британський астрофізик сер Артур Едінгтон продемонстрував це, уважно спостерігаючи за світлом зір, що проходить повз наше власне Сонце під час повного сонцевого затемнення (рис. 5.3). Гравітація Сонця справді викривила світло, перемістивши позірне положення зір далі від Сонця.
Айнштайнова теорія кидала виклик Ньютоновій теорії гравітації в багатьох важливих аспектах. Але, як і раніше Ньютонова теорія всесвітнього тяжіння, вона також передбачала, що гравітаційна дія – коли нема інших протидійних сил – змусить матерію у Всесвіті згуститися в одному місці. Через те що згідно з теорією Ньютона «вся матерія тяжіє» – усі маси притягують інші маси, – його теорія передбачала, що вся матерія колапсує сама на себе в одну велику густу концентрацію маси внаслідок того, що кожне масивне тіло буде діяти силою притягання на кожне інше масивне тіло.

Рисунок 5.3. Відповідно до Айнштайнової загальної теорії відносності, масивні тіла викривляють простір. Ця кривина згинає шлях світла до масивного тіла, коли воно проходить повз. На діаграмі показано світло, що виходить від двох далеких зір і проходить через гравітаційне поле Сонця. Кривина простору навколо сонцевої маси змінює шлях, тому світло загинається коло Сонця. Як наслідок, позірне положення зір на нічному небі здається спостерігачеві, що перебуває на Землі, зсунутим від їх справжнього положення. Зверніть увагу, як позірні положення зір на діаграмі зміщені лівіше або правіше від їх фактичного положення. Цей ефект можна спостерігати на Землі лише під час сонцевого затемнення, коли світло, що надходить від Сонця, блокується Місяцем. Відомий експеримент провів у 1919 році сер Артур Едінгтон під час сонцевого затемнення. Він визначив передбачене зігнення світла, спостерігаючи за результатом зміни позірного положення певної зорі, коли Місяць проходив перед Сонцем під час затемнення.

Через те що очевидно, що всі масивні тіла у Всесвіті так не згустилися, Ньютон спробував розв’язати проблему, розміщуючи нескінченну кількість матерії, розподіленою по всьому нескінченному простору. Роблячи це, він уявляв рівновагу сил, за якої кожне масивне тіло, розподілене в нескінченному просторі, буде притягувати кожне інше масивне тіло в усіх напрямах одночасно, внаслідок чого різні гравітаційні сили врівноважують одна одну (або, математично кажучи, скасовують одна одну), так, гадано, запобігаючи колапсові.
Але Айнштайн зрозумів, що не зможе скористатися цим рішенням. За його теорією матерія насправді вигинає сам по собі простір, а не просто змушує одну масу притягувати іншу масу в межах простору. Тому, відповідно до загальної теорії відносності, навіть у межах нескінченного простору масивні тіла все одно змушують простір викривлятися в самому собі, що врешті приведе до гравітаційного стискання всієї матерії та просторочасу. Іншими словами, Айнштайн зрозумів, що якби гравітація була єдиною силою, що діє у Всесвіті, вона обов’язково змусила б матерію згуститися, а просторочас стягнутися в себе. А що такого стягнення не відбулося (принаймні поки що) і Всесвіт, який ми спостерігаємо сьогодні, містить матерію, оточену порожнім простором, Айнштайн вважав, що щось – якась сила розширення, що штовхає назовні – має протидіяти ефектові гравітації, щоб пояснити порожній простір між масивними тілами у Всесвіті.

Космологічна константа і статичний Всесвіт
Тож у своїй знаменитій роботі 1917 року «Космологічні міркування в загальній теорії відносності» Айнштайн сформулював те, що він назвав «космологічною константою», щоб описати постійнодійну силу відштовхування для протидії ефектові гравітаційного стискання. Далі він присвоїв космологічній константі точне значення, щоб гарантувати, що сила тяжіння та сила відштовхування, описувана цією константою, будуть точно зрівноважені, щоб підтримувати Всесвіт у свого роду рівноважному статичному стані.
Айнштайнів вибір значення космологічної константи не мав фізичного обґрунтування. Натомість це випливало з його припущення про вічний, стаціонарний Всесвіт – припущення, до якого він схилявся з явно філософських причин. Він також припустив, що ні густина маси-енергії у Всесвіті, ні радіус кривини Всесвіту – два ключові терміни в його рівняннях – не змінювані з часом, хоча його початкові рівняння розглядали ці терміни як потенційно змінні. Роблячи це, Айнштайн зобразив Всесвіт як завжди статичний, що не розширюється від початку і не стискається в кінці. Це дало змогу йому уявляти Всесвіт як вічний і самосущий.
Одразу після того, як Айнштайн опублікував свою космологічну роботу, низка математичних результатів поставила під сумнів його статичний Всесвіт. Голандський математик і фізик Вілем де Сітер (Willem de Sitter) розв’язав Айнштайнові польові рівняння для окремого випадку Всесвіту без матерії. А що модель де Сітера також припускала штовхальну назовні дію космологічної константи, це обов’язково передбачало розширення Всесвіту. Однак Айнштайн відкинув модель де Сітера та її припущення про розширення Всесвіту як нереалістичні та теоретично несуттєві, бо наш Всесвіт вочевидь містить матерію.
Незабаром виникла серйозніша теоретична проблема. У 1922 р. російський фізик Александр Фрідман (рис. 5.4) також розв’язав Айнштайнові рівняння гравітаційного поля, але зробив це, висунувши реалістичніші припущення про Всесвіт. На відміну від де Сітера, він припустив всесвіт із матерією та енергією, а також приблизно рівномірний розподіл цієї маси-енергії. Розв’язки Фрідмана та отримані рівняння містили члени, які дозволяли густині та радіусові Всесвіту змінюватися або варіюватися з часом – можливість, яку визначив наперед довільний вибір Айнштайном космологічної константи та початкових умов.

Рисунок 5.4. Російський фізик Александр Фрідман, що розв’язав Айнштайнові рівняння гравітаційного поля.

Хоча Айнштайн спочатку висловив несхвалення Фрідманового розв’язку, що допускав можливість динамічного Всесвіту, припущення Фрідмана логічно і математично випливало з основного фізичного принципу самої Айнштайнової теорії гравітації, а саме, що масивні тіла змушують простір стискатися і, отже, змінюватися. Справді, якщо маса змушує простір викривлятися або стискатися, то і радіус кривини простору, і густина маси-енергії в просторі можуть – залежно від значення космологічної константи – змінюватися з часом. Сам Фрідман не намагався вирішити, чи Всесвіт статичний, розширюється чи стискається, але він математично показав, як різні значення космологічної константи можуть привести до будь-якої з цих трьох можливостей.
Ба більше, рівняння Фрідмана – його розв’язки Айнштайнових рівнянь поля, що описують, як матерія викривляє простір – передбачали динамічний Всесвіт майже для всіх значень космологічної константи та майже для всіх виборів початкових умов. Справді, його розв’язки означали, що навіть для точного значення космологічної константи, яку вибрав Айнштайн, – і за винятком однаково довільного припущення Айнштайна про всесвіт із незмінними радіусом і густиною – Всесвіт обов’язково або розширювався б, або стискався б.
Отже, хоча Фрідман не спростував Айнштайнів статичний Всесвіт, його розв’язки польових рівнянь передбачали необхідність неправдоподібного ступеня тонкого настроєння як значення космологічної константи, так і початкових умов Всесвіту, щоб підтримувати баланс між тиском космічного розширення і гравітаційне притягання. Так Фрідман посилив напругу між концепцією статичного всесвіту, якій віддавав перевагу Айнштайн, і найприроднішими наслідками для космології самої Айнштайнової теорії гравітації.
Інші події лише поглибили цю напругу. У 1927 р. бельгійський священник і фізик Жорж Леметр (рис. 5.5) самостійно отримав ті самі розв’язки рівнянь поля, що й Фрідман. Проте Леметр не тільки показав, що з рівнянь поля випливає, що радіус кривини простору буде змінюватися з плином часу; він також використав дані спостережень про далекі спіральні туманності (тепер відомі як галактики), щоб сформулювати певну космологічну модель Всесвіту.

Рисунок 5.5. Бельгійський священник і фізик Жорж Леметр, батько теорії Великого вибуху.

Зокрема, він вніс у свою модель дані Весто Слайфера про доплерівські зсуви світла від далеких галактик і скорелював ці дані з Габловими вимірюваннями відстаней до інших галактик у 1924 році. Ці два набори даних, узяті разом, означали, що галактики віддаляються, а галактики, які містяться далі, віддаляються швидше, ніж ті, що розташовані поблизу. Хоча пізніше Габл сформулював цей зв’язок з більшою точністю на основі більшої кількості даних спостережень, Леметр сформулював його незалежно і раніше, ніж Габл. Це співвідношення «що далі, то швидше», пізніше назване законом Габла, припускало сферичне розширення Всесвіту в усіх напрямах простору.
На відміну від Фрідмана, чиї рівняння просто передбачали, що Всесвіт може змінюватися в розмірах з часом, Леметр навів докази того, що він змінився – і, по суті, розширювався. А що Леметр інтегрував спостереження червоного зсуву в космологічну модель, основану на загальній теорії відносності (і його розв’язках Айнштайнових рівнянь поля), його модель передбачала, що сам простір розширюється, а не тільки те, що галактики віддаляються в передсущий простір (щось, що Габл, імовірно, не зрозумів). Це, своєю чергою, означало, що в минулому Всесвіт мав би бути набагато меншим. Що разючіше, це також означало, за словами британського фізика Стівена Гокінга, що «колись у минулому... відстань між сусідніми галактиками мала бути нульовою».
Отже, Леметр і розв’язав рівняння поля (як це зробив Фрідман), і використав докази червоного зсуву (передбачаючи більшу частину пізніших робіт Габла) для розроблення всеосяжної космологічної моделі. Його модель передбачала розширення Всесвіту, в якому сам простір розширювався, і, отже, також передбачала початок розширення, починаючи з того, що він описав як «первісний атом» або «космічне яйце». Його модель лягла в основу теорії, до якої астрофізик Фред Гойл, прихильник стаціонарного стану, пізніше застосував насмішкуватий ярлик «великий вибух».
З філософських міркувань Айнштайнові не подобалися розв’язки як Фрідманові, так і Леметрові його рівнянь гравітаційного поля і, зокрема, їхній наслідок – динамічний та розширний Всесвіт. У 1922 році він написав коротке спростування аналізу Фрідмана, стверджуючи, що останній неправильно розв’язав рівняння поля. Айнштайн наполягав, що «результати щодо нестаціонарного світу, які містяться в роботі [Фрідмана], видаються мені підозрілими. Насправді виявляється, що поданий у ній розв’язок не задовольняє рівняння поля».
Отримавши листа від Фрідмана, в якому той переконливо відповів на критику Айнштайна, останній опублікував спростування, визнаючи помилку у власних розрахунках. Айнштайн також визнав, що Фрідман правильно показав, що «рівняння поля допускають для структури сферично-симетричного простору, крім статичних, динамічні розв’язки».
Однак у неопублікованій версії того самого рукопису він охарактеризував розв’язки Фрідмана як «нереалістичні» – можливо, математично цікаві, але непридатні для реального світу. У 1927 році він запропонував подібну критику розв’язків Леметра та його космологічної моделі на видатному конгресі фізиків у Брюселі, Бельгія, так званому Сольвейському конгресі. Там він знаменито сказав Леметрові: «Ваші розрахунки правильні, але ваша фізичне розуміння огидне». В іншому місці він висловився зневажливо щодо гіпотези Леметра про первісний атом як ідею, «натхненну християнською догмою про створення і абсолютно невиправдану з фізичного погляду».

Рисунок 5.6. Альберт Айнштайн дивиться на небо через телескоп Габла в обсерваторії Маунт-Вілсон, а Габл (посередині) і астроном Волтер Адамз (Walter Adams) (праворуч) спостерігають.

Але небо незабаром відповість. 1931 року Айнштайн відвідав Габла на горі Вілсон і побачив там астрономічні докази, що підтверджують розширення Всесвіту, за допомогою великого 100-дюймового телескопа. На фотографії того візиту (рис. 5.6) ви можете побачити знамените зображення Айнштайна, що дивиться в телескоп, а Габл на задньому плані курить свою люльку. Незабаром після відвідування Габла на горі Вілсон Айнштайн публічно відтвердив, що визнав необхідність «початку».
Ця історія, як звичайно розповідають, часто робить занадто великий акцент на візиті Айнштайна на гору Вілсон і взаємодіях з Габлом як вирішальній події в його зміні бачення. Правду кажучи, Айнштайн, імовірно, прийняв модель розширного Всесвіту за більш ніж рік до того. Вперше він дізнався про докази червоного зсуву від Леметра, їдучи в таксі, під час Сольвейського конгресу в 1927 році. 1930 року сер Артур Едінгтон (рис. 5.7) також повідомив Айнштайна про нові досягнення в спостерігальній космології, зокрема роботу Габла 1929 року, яка встановлює закон Габла – коли Айнштайн відвідував Едінгтона в Кембридзькому університеті.

Рисунок 5.7. Британський астрофізик сер Артур Едінгтон, який розповів Айнштайнові про докази галактичної рецесії під час візиту до Кембридзького університету в 1930 році, хоча самому Едінгтонові не дуже сподобалися її наслідки щодо початку Всесвіту.

Едінгтон також, імовірно, пояснив Айнштайнові, чому його модель статичного Всесвіту була нестабільна – і чому рівняння Леметра, отже, краще представляли космологічні наслідки загальної теорії відносності, ніж власна Айнштайнова концепція статичного всесвіту. Раніше того ж року Едінгтон показав, що навіть для значення космологічної константи, яке обрав Айнштайн, Всесвіт залишиться в статичній рівновазі, лише якщо маса та енергія у Всесвіті залишаться рівномірно або однорідно розподіленими. Навіть незначні дисбаланси в розподілі маси-енергії зрушили б Всесвіт до динамічного стану, в якому космічні комірки (або простір як ціле) будуть або колапсувати, або розширюватися.
Едінгтон показав, що значення космологічної константи та кривини Всесвіту (а також густини маси та енергії Всесвіту) необхідно ідеально встановити та підтримувати. Навіть найменша зміна в будь-якому з цих значень приведе до того, що Всесвіт або розшириться назавжди, або стиснеться назад на себе у великому космологічному «великому стиску».
Тож до того часу, коли Айнштайн прибув до Пасадени 29 січня 1931 року, він уже погодився з динамічним і розширним Всесвітом, а заодно і наслідком – початком. Як він пояснив в інтерв’ю «Нью-Йорк таймз», опублікованому 3 січня, «Нові спостереження Габла і Гамасона [астрономів з гори Вілсон] щодо червоного зсуву світла в далеких туманностях» показують, що «загальна структура Всесвіту не статична». Він також заявив в іншому інтерв’ю «Нью-Йорк таймз» 12 лютого: «Червоний зсув далеких туманностей розбив мою стару конструкцію, як удар молотка».
Пізніше Айнштайн сказав, що постулювання про довільне значення космологічної константи – його космічний поправковий коефіцієнт (fudge factor) – було «найбільшою помилкою» його життя. Справді, прагнучи зберегти статичний Всесвіт, Айнштайн ненавмисно приховав важливу космологічну реальність, закладену в його власній теорії гравітації.

Космологія стаціонарного стану
Айнштайн був не єдиним науковцем, який рефлекторно відреагував проти ідеї початку. Сам Едінгтон вважав метафізичні наслідки тривожними. «З філософського погляду, уявлення про початок нинішнього порядку мені огидне, – сказав він. – Я хотів би знайти справжню лазівку. Я просто не вірю, що нинішній порядок речей почався з вибуху. Розширний Всесвіт безглуздий. ... Він мене не цікавить».
Роберт Діке, провідний фізик Принстонського університету в 1950-х і 1960-х роках, пізніше пояснював, чому скінченний всесвіт викликав такий передбачуваний філософський опір серед багатьох науковців. Нескінченно старий Всесвіт «позбавив би нас, – сказав він, – необхідності зрозуміти походження матерії в будь-який скінченний час у минулому». Скінченний всесвіт, навпаки, змусив би науковців зіткнутися з незручними питаннями про первісний початок самого матеріального всесвіту. Це також висуває можливість того, що Всесвіт почався з чогось на зразок події створення, викликаної причиною, яка існувала незалежно від матерії, простору, часу та енергії.

Рисунок 5.8. Три архітектори теорії стаціонарного стану, Томас Ґолд, Герман Бонді та Фред Гойл.

Тому протягом решти двадцятого століття фізики та космологи сформулювали багато альтернатив до нової космології Великого вибуху. Більшість із них намагалася відновити ідею нескінченно старого Всесвіту. Деякі з чітко філософських міркувань сформулювали науковці, відверто віддані цілком матеріалістичному світоглядові.
Наприклад, у 1948 році троє дослідників із Кембриджу – Фред Гойл, його колега-астрофізик Томас Ґолд і математик Герман Бонді (рис. 5.8) – запропонували модель «стаціонарного стану», щоб пояснити галактичну рецесію, не покликаючись на неприйнятне уявлення про початок. Сам Гойл визнав, що він запропонував модель стаціонарного стану, щоб обійти очевидні для нього теїстичні наслідки теорії Великого вибуху.
Відповідно до теорії стаціонарного стану, коли Всесвіт розширюється, нова матерія утворюється спонтанно в просторі між розширними галактиками. Наприклад, матерія, з якої складається галактика Чумацький Шлях, виникала б між іншими галактиками, які, своєю чергою, виникали б з порожнього простору між іншими галактиками, і так далі. Гойл, Ґолд і Бонді уявляли собі всесвіт нескінченної протяжності в часі і просторі – той, який завжди розширювався в минулому, і який також завжди буде розширюватися в майбутньому.
Як не дивно, ідея стаціонарної моделі прийшла до Ґолда, коли він дивився фільм жахів. Фільм містив послідовність сну, в якому сюжет, здавалося, змінювався, але завжди закінчувався саме там, де починався. Ґолд разом із Гойлом і Бонді запропонував, що історія всесвіту могла йти за схожим сценарієм. Через те що докази червоного зсуву підтверджують розширний Всесвіт, вони припустили, що Всесвіт може нескінченно дублюватися в розмірі. А що дублювання нескінченного об’єму просто породжує інший нескінченний об’єм, космічне розширення насправді не змінювало б вимірні розміри Всесвіту. Як і у фільмі жахів, сон завжди повертався до свого початкового місця, до розширюваного, але нескінченно великого Всесвіту.

Рисунок 5.9. Відповідно до моделі стаціонарного стану, Всесвіт повинен підтримувати сталу густину матерії. Але в міру розширення Всесвіту густина Всесвіту (тобто кількість речовини на одиницю об’єму) почне зменшуватися. Отже, щоб підтримувати сталу густину, матерію необхідно постійно створювати по всьому Всесвіту. Фактично розтягнення простору викликає появу нової матерії. Цей рисунок зображує, як прихильники стаціонарного стану бачать як розширення простору, так і безперервне створення матерії та енергії.

Отже, доки якийсь фізичний процес, сила чи поле могли безперервно генерувати нову матерію з порожнього, але розширного простору, теорія стаціонарного стану усувала необхідність постулювати подію створення на початку часу. Натомість Всесвіт міг би просто продовжувати розширюватися вічно, як це робив від вічності минулого. Ця ідея відповідала доказам червоного зсуву, але вона викликала одне очевидне запитання: звідки бралася нова речовина?
Гойл відповів, постулювавши те, що він назвав «С-полем» або «полем творення» (creation field). Щоб обґрунтувати цю пропозицію, він дещо довільно стверджував, як фундаментальний фізичний принцип, що густина Всесвіту завжди повинна залишатися сталою (рис. 5.9). З цієї передумови випливало, що в міру розширення Всесвіту він повинен виробляти компенсаційну кількість нової матерії, щоб підтримувати сталу густину. Як зазначає астрофізик Жан-П’єр Люміне (Jean-Pierre Luminet), «Фред Гойл продемонстрував, що модель стаціонарного стану придатна за умови, що до рівняння додане нове поле (яке він назвав просто C від «творення»); цей спеціальний винахід передбачався як резервуар негативної енергії, яка існувала протягом усього життя Всесвіту, тобто вічно».

Доказові виклики космології Великого вибуху
Теорія стаціонарного стану залишалася головним конкурентом моделі Великого вибуху аж до 1960-х років. Вона була популярна не тільки тому, що багатьом науковцям здавалася менш неприємною з філософського погляду, а й тому, що теорія Великого вибуху ще не пояснила кілька ключових класів релевантних доказів. По-перше, радіометричне датування земних гірських утворень дало оцінку віку Землі – 4,5 мільярда років. Проте ранні версії теорії Великого вибуху, які припускали неправильне значення константи в законі Габла, передбачали, що пройшло лише 1,9 мільярда років від початку космічного розширення до сьогодення, а звідси, що Земля була старша за Всесвіт, який її оточував, – очевидний абсурд.
По-друге, теорія Великого вибуху також не давала пояснень тому, як після первинного вибухового початку Всесвіту легші елементи (такі як водень і гелій, лише з кількома протонами і нейтронами) могли створити важкі елементи (такі як вуглець і кисень), з набагато більшою кількістю протонів і нейтронів).
Нарешті, модель Великого вибуху передбачала наявність чогось, що залишалося невиявленим, – проникного низькоенергетичного фонового проміння по всьому Всесвіту. Аналогія може допомогти проілюструвати, чому теорія зробила це передбачення. Уявіть, що ви запікаєте індичку. Коли вона буде готова, ви дістаєте щільну, повністю приготовлену птицю з духовки та кладете індичку на кухонний стіл, обережно зачиняючи дверцята духовки. Індичка буде випромінювати теплову енергію на всі боки, підвищуючи температуру приміщення на ледь помітну величину. Таким же чином, щільна концентрація маси-енергії, яка, згідно з теорією Великого вибуху, існувала після початку Всесвіту, привела б до електромагнетної енергії, яка випромінювалася б по всьому Всесвіту в міру розширення простору, залишаючи позаду фонову енергію як своєрідний підпис цього початкового гарячого, щільного стану.
Однак, через те що ранній Всесвіт містив не матерію у твердій формі, як ми її знаємо (як індичка), а гарячу плазму, наведена вище аналогія не повністю відображає те, що уявляли прихильники Великого вибуху. На їхню думку, коли Всесвіт уперше почав розширюватися, він мав би неймовірно крихітний об’єм, з масою та енергією Всесвіту за екстремального тепла і тиску. У цьому стані, відомому як стан плазми (четверта фаза речовини на додаток до твердої, рідкої та газоподібної фаз), електрони не могли обертатися навколо протонів і нейтронів, щоб утворити стабільні атоми. Отже, жодне світло не буде випромінюватися за межі плазми. Натомість фотони розсіювалися б електронами безладно в усіх напрямах приблизно так само, як світло розсіюється від крапель води в тумані, роблячи певні об’єкти в тумані практично невидними.
Далі, згідно з моделлю, через 380 000 років Всесвіт охолонув, що уможливило утворення нейтральних атомів водню, що дало змогу світлу вільно подорожувати. Світло, що випромінювалося з цих перших атомів, почало б заливати розширний Всесвіт, рухаючись у космосі практично прямими шляхами в усіх напрямах.
У 1948 році фізики Роберт Герман і Ралф Алфер передбачили існування цього світла. Вони також передбачили, що розширення простору поступово розтягне довжини хвиль світла далеко до невидного кінця електромагнетного спектра. Отже, очікували вони, до сьогодні світло, що виходить із цієї початкової гарячої плазми, матиме довжину хвилі близько 1 міліметра, що відповідає тому, що фізики називають «мікрохвильовою» частиною електромагнетного спектра. Тому Герман і Алфер назвали передбачену енергію «космічним мікрохвильовим фоновим промінням», або КМФП. Це проміння, якщо його виявлять, представлятиме післясвітіння Великого вибуху чи, точніше, час одразу після утворення перших атомів.
Герман і Алфер також розрахували температуру конкретного об'єкта, так званого чорного тіла, яке сьогодні зазвичай емітує проміння з такою ж домінантною довжиною хвилі, що й передбачене фонове проміння. Чорні тіла – це об’єкти, які поглинають проміння всіх довжин хвиль і які реімітують проміння з характерним розподілом частот, який залежить лише від температури чорного тіла, подібно до характерного червонуватого світіння від чавунної сковорідки, коли ви нагріваєте її до певної температури. Герман і Алфер підрахували, що конкретне чорне тіло з таким же довгохвильовим низькоенергетичним випромінюванням, що виробляє проміння, передбачене на основі моделі Великого вибуху, матиме температуру 5 градусів за шкалою Келвіна (тобто на 5 градусів вище від абсолютного нуля).
Ось як вони це зробили. Герман і Алфер знали, що з часу, коли атоми вперше утворилися 380 000 років тому, відстань упоперек Всесвіту збільшилася приблизно в 550 разів. Це розширення простору, своєю чергою, змусило б довжини хвиль світла, що виходять із початкового стану плазми, пропорційно розтягуватися. Вони також оцінили температуру Всесвіту біля кінця його ранньої плазмової стадії приблизно як 3000 градусів Келвіна. А що характерна температура чорного тіла падає пропорційно збільшенню довжини хвилі, то Герман і Алфер могли розрахувати температуру чорного тіла, яке випускало б проміння, еквівалентне тому, яке є у Всесвіті сьогодні. Вони зробили це, поділивши 3000 градусів Келвіна (температуру Всесвіту в кінці плазмової епохи) на 550 (коефіцієнт розширення Всесвіту), що дало їм температурний еквівалент приблизно 5 градусів Келвіна для повсюдного космічного фонового проміння.
Їхнє точне передбачення становило солідний фрагмент теоретичної фізики, який дослідники загалом могли підтвердити спостереженням. Однак, попри деякі ранні спроби, астрономи та астрофізики на початку 1960-х років не змогли знайти таке низькоенергетичне, довгохвильове проміння. Це давало прихильникам Великого вибуху ще одну аномалію, яку потрібно було пояснити.

Велика перемога Великого вибуху
Отже, модель Великого вибуху на деякий час була заблокована доказовими труднощами на трьох окремих фронтах. Однак нові відкриття незабаром дали змогу розв’язати їх на кожному з них.
По-перше, було абсурдом, що Земля здавалася старшою за Всесвіт. У 1952 році Вальтер Бааде (Walter Baade) з Каліфорнійського технологічного інституту провів нові дослідження певного класу змінних цефеїд і виявив систематичні помилки в попередніх дослідженнях цих зір – помилки, які призвели до недооцінення відстаней до далеких галактик у два рази. Потреба в перекалібруванні відстаней, своєю чергою, означала, що світлу, що надходить від цих галактик, потрібно більше часу, щоб прибути. Результатом – за новим розрахунком – став Всесвіт віком 3,6 мільярда років.
Через кілька років астроном з Калтеху Алан Сендейдж, про якого я згадував у розділі 1, продемонстрував, що найяскравіші зорі в галактиках не світять з приблизно такою інтенсивністю, як астрономи раніше припускали. Виправлення цього припущення збільшило орієнтовний вік Всесвіту до 5,5 мільярда років. Подальші дослідження протягом 1950-х років змусили Сендейджа відкинути оцінений вік Всесвіту до принаймні 10 мільярдів років, близького до поточної оцінки – приблизно 13,8 мільярда років. Ці дослідження продемонстрували, що Великий вибух стався досить давно, щоб пристосувати віки астрономічних об’єктів, що містяться у Всесвіті, зокрема Землі віком 4,5 мільярда років.
За іронією долі, Фред Гойл, критик теорії Великого вибуху, допоміг розв’язати другу проблему, що стоїть перед теорією, – пояснити, як утворюються важкі елементи. Гойл дуже зацікавився цим питанням, бо його теорія стаціонарного стану також повинна була враховувати виробництво важких елементів.
Гойл сформулював теорію, яка показала, як масивні зорі можуть синтезувати вуглець з легших елементів через серію ядерних реакцій, відомих як «потрійна альфа-реркція». (Детальніше про цю теорію див. розділ 7.) Так він мимовільно підтримав теорію Великого вибуху, усунувши одну з небагатьох емпіричних перешкод на шляху її прийняття. Ба більше, подальші дослідження нуклеосинтезу (того, як утворюються хемічні елементи) тривали, довівши здійсненність шляхів термоядерного синтезу в масивних зорях для елементів, важчих за гелій у цих зорях. Ці дослідження також означали динамічний Всесвіт, у якому невблаганно розгорталися незворотні процеси змін, що ведуть до сучасного космосу, цілком відмінного від космосу далекого минулого – навряд чи це та картина, що природно підтримує статичну, стаціонарну модель.
Нарешті, теорія Великого вибуху зіткнулася з проблемою очевидного браку низькоенергетичного фонового проміння. Але в 1965 році двоє фізиків, Арно Пенціас і Роберт Вілсон (рис. 5.10), з Телефонних лабораторій Бела в Нью-Джерсі випадково виявили це залишкове проміння. Воно виявлене у вигляді дратівливого низького гулу в їхніх дуже чутливих великих антенах у лабораторіях Бела.

Рисунок 5.10. Фізики Роберт Вілсон і Арно Пенціас, співвідкривачі космічного фонового проміння, стоять перед рупорною антеною в лабораторіях Бела в 1965 році.

Після спроби усунути цей ефект шляхом визначення багатьох різних можливих джерел шуму, зокрема голубів, Пенціас і Вілсон зрозуміли, що шум надходить з усіх боків і має довгі хвилі мікрохвильового діапазону. Коли вони виявили, що довжина хвилі цього проміння розрахована майже до точного еквівалента температури чорного тіла, який передбачив Алфер, вони почали підозрювати, що виявили щось космологічної ваги. Вони зв’язалися з Робертом Діке в Принстоні, який сам шукав КМФП. Дослідивши апарат і дані Пенціаса і Вілсона, він дійшов висновку, що вони знайшли те, що він шукав – проміння, що залишилося від стану гарячої плазми високої щільності, постулюваного як наслідок Великого вибуху.

Рисунок 5.11. Абсолютно непрозорий об’єкт у термодинамічній рівновазі, відомий як «чорне тіло», демонструє характерний розподіл частот або довжин хвиль проміння. Цей графік показує розподіл довжин хвиль космічного фонового проміння. Він чудово відповідає кривим, характерним для відомих чорних тіл, що свідчить про те, що космічне фонове проміння виходило з відносно компактного, непрозорого раннього стану Всесвіту.

Відкриття космічного фонового проміння з майже точною передбаченою довжиною хвилі та відповідною температурою чорного тіла (як пізніше визначили, використовуючи точніше значення константи Габла) виявилося вирішальним (рис. 5.11). Тоді як Алфер і Герман передбачили існування цього мікрохвильового проміння як наслідок моделі Великого вибуху, прихильники моделі стаціонарного режиму визнали, що, з огляду на їхню модель, таке проміння не повинно існувати.
Інші докази ставлять під сумнів теорію стаціонарного стану. Наприклад, стаціонарний стан означав, що галактики повинні мати діапазон радикально різного віку, від надзвичайно молодих галактик, що тільки формуються, до надзвичайно старих галактик. Прихильники моделі стаціонарного режиму очікували такого розподілу за віками, бо модель передбачала, що новий матеріал постійно виникає. Проте досягнення в спостерігальній астрономії не виявили жодної дуже молодої галактики. Натомість більшість галактичних віків вузько групуються в діапазоні «середнього віку» або дуже старого (відносно віку Всесвіту як цілого), що свідчить про тривалий період зоряної та галактичної еволюції після єдиного, а не постійного, творення матерії. До 1970-х років більшість астрономів і космологів, зокрема навіть Герман Бонді, один з архітекторів теорії стаціонарного стану, відмовилася від теорії (хоча ні Ґолд, ні Гойл так цього й не зробили).

Осцилівний Всесвіт
Після відмови від моделі стаціонарного стану в середині 1960-х років деякі фізики запропонували модель осцилівного Всесвіту (рис. 5.12) як альтернативу до скінченного Всесвіту, запропоновану тодішнім панівним Великим вибухом. Прихильники цієї коливної моделі уявляли собі Всесвіт, який розширюватиметься, поступово сповільнюватиметься, зменшуватиметься під дією власного тяжіння, а потім, за якимось невідомим механізмом, знову і знову ініціюватиме своє розширення, знову і знову, до нескінченності. Якийсь час коливна модель зберігала уявлення про вічний самосущий всесвіт. Але з кількох причин фізики врешті-решт відкинули цю модель, її припущення про вічний Всесвіт, або й те й те.

Рисунок 5.12. Три космологічні моделі: Великий вибух, стаціонарний стан і осцилівний Всесвіт. Модель Великого вибуху передбачає, що Всесвіт мав початок. Модель стаціонарного стану передбачає, що Всесвіт існував вічно і матерія постійно створюється. Осцилівна модель зображує Всесвіт, який розширюється і колапсує нескінченну кількість разів. Усі три моделі припускають, що Всесвіт тепер розширюється.

По-перше, прихильники не могли розробити правдоподібний механізм, щоб пояснити послідовні повторні розширення Всесвіту після гравітаційних колапсів, які вони уявляли. Навіть за дещо неправдоподібного припущення, що щось на кшталт розширної сили космологічної константи буде знову роздувати Всесвіт після кожного колапсу, модель зіткнулася з труднощами з другим законом термодинаміки, як продемонстрував фізик з Масачусетського технологічного інституту Алан Ґут (Alan Guth) у 1984 році. (Другий закон говорить, що безлад або ентропія ізольованої системи матерії та енергії з часом буде зростати.)
Ґут показав, що відповідно до другого закону ентропія (або безлад) матерії та енергії у Всесвіті буде зростати з часом у кожному циклі. Але таке зростання ентропії (або безладний розподіл маси-енергії) приведе до зменшення енергії, доступної для виконання роботи в кожному циклі. Це спричиняло б поступово довші й довші цикли розширення та стискання, бо збільшення неоднорідності густини маси-енергії в усьому просторі знизило б ефективність гравітаційного стиснення. Але якщо тривалість кожного циклу обов’язково збільшується в міру того, як Всесвіт рухається вперед у часі, то звідси випливає, що кожен цикл у минулому був би поступово коротшим. А що періоди кожного циклу не можуть зменшуватися нескінченно, Всесвіт – навіть в осцилівній моделі – мав би мати початок.
Подібним чином, якщо в кожному циклі маса та енергія будуть зростати дедалі рандомізованіше, врешті – за нескінченного часу – Всесвіт досягне теплової смерті, при якій не буде доступної енергії для виконання роботи, як гумовий м’яч, що відскакує на все меншу і меншу висоту, поки нарешті він більше не може підскочити. Проте, якби Всесвіт осцилював і був нескінченно старий, він мав би досягти такого стану нескінченно давно. А що ми не опиняємося в такому холодному всесвіті з максимально однорідним розподілом матерії та енергії, то звідси випливає – навіть якщо припустити осцилівний всесвіт – що Всесвіт не існував нескінченну кількість часу.
У будь-якому разі, нещодавні астрономічні вимірювання свідчать про те, що масова густина Всесвіту трохи менша за так звану критичну густину, необхідну для припинення розширення Всесвіту, так гарантуючи, що Всесвіт ніколи не реколапсує. Крім того, розширення Всесвіту може насправді пришвидшуватися, можливо, внаслідок того, що астрофізики називають «темною енергією», постульовану, але незідентифіковану форму енергії, яка, імовірно, пронизує весь простір і чинить на нього спрямований ізсередини назовні тиск.

Галактична проблема Великого вибуху
До 1970-х років більшість астрономів визнала Великий вибух перед його суперниками. Однак відкриття КМФП, яке фактично знищило теорію стаціонарного стану, залишило для прихильників Великого вибуху одну таємницю нерозгаданою. Цією загадкою було формування галактик.
Щоб утворювалися галактики, маса й енергія відразу після Великого вибуху повинні мати флюктуації густини. Це необхідно для того, щоб врахувати спостережувані варіації в концентрації матерії та енергії в усьому космосі сьогодні – про що свідчать, наприклад, галактики та скупчення галактик, оточені переважно порожнім простором. Теоретично ці початкові відмінності в концентрації маси та енергії вплинули б на космічне фонове проміння, бо різні концентрації маси та енергії привели б до різної характерної довжини хвилі світла, що виходить з різних місць у початковій гарячій, щільній концентрації речовини та енергія в постплазмовому Всесвіті. З цієї причини модель Великого вибуху передбачала, що сучасне космічне мікрохвильове фонове проміння (КМФП) повинно проявляти невеликі флюктуації інтенсивності мікрохвильового проміння.
Використовуючи наземні та бортові прилади, перші спроби виявити ці очікувані зміни в КМФП зазнали невдачі. Навіть випробування з використанням ракет, запущених над атмосферою, не змогли виявити передбачені зміни. Однак у 1989 році НАСА запустила супутник, відомий як дослідник космічного фону (Cosmic Background Explorer), або КОБІ (COBE). Коли супутник КОБІ облітав небо, обертаючись навколо Землі над атмосферною колотнечею, він дійсно виявив (рис. 5.13) передбачені крихітні варіації в промінні КМФП.

Рисунок 5.13. Теорія Великого вибуху передбачає існування низькорівневого космічного фонового проміння. Щоб Великий вибух пояснив походження галактик, також мусили бути невеликі варіації в інтенсивності цього проміння на найраніших стадіях Всесвіту. Коли супутник дослідник космічного фону (КОБІ) сканував нічне небо, він виявив ці незначні відхилення. Ця ілюстрація відтворює в розширеній чорно-білій формі відоме кольорове зображення нічного неба, що зображує ці варіації.

Ці знахідки розв’язали одну з небагатьох доказових проблем, які ще залишалися, що стояли перед моделлю Великого вибуху, і закрили справу від спостерігальної астрономії щодо скінченного Всесвіту. Це дало миттєвий знімок насіння галактик одразу після створення самої матерії. Для багатьох науковців ці зображення були разючі за своїм значенням. Як сказав Джордж Смут, директор програми КОБІ, який зрештою отримав Нобелівську премію за своє відкриття: «Якщо ти релігійний, це як бачити Бога».

Останній камінь
Очевидно, Смут говорив гіперболічно. Але відкриття початку Всесвіту змусило багатьох науковців серйозно задуматися про можливі теїстичні наслідки скінченного Всесвіту.
Я вперше зіткнувся з серйозними науковцями, які саме це робили на конференції в Даласі, про яку я згадував у розділі 1. На одній з перших панелей на цій конференції були представлені презентації доказів теорії Великого вибуху та скінченного в часі Всесвіту. Після цього розпочалася дискусія щодо філософських наслідків теорії. Учасники дискусії пропонували як теїстичну, так і матеріалістичну перспективи. Тут були справжні наукові «хто є хто», серед яких не лише астрофізик з Гарварду Овен Ґінґеріч і астроном з Каліфорнійського технологічного інституту Алан Сендейдж, а й Роберт Джастроу (Robert Jastrow) з Космічного інституту Ґодарда та Доналд Ґолдсміт, науковий радник популярної оригінальної серії «Космос», яку вів Карл Саґан.
З цих корифеїв Сендейдж справив, мабуть, найбільший вплив на авдиторію. Він описав кілька рядків доказів, що підтверджують теорію Великого вибуху, зокрема власні відкриття, що підтверджують лінійну залежність між відстанню до далеких галактик та їх рецесійною швидкістю. Після роботи асистентом Едвіна Габла і здобуття ступеня доктора філософії в Калтеху під керівництвом Вальтера Баада, Сендейдж продовжив роботу Габла, уточнюючи розуміння Габлового відношення між рецесійною швидкістю та відстанню, як воно застосовне до галактик у всіх квадрантах нічного неба.
У 1985 році Сендейдж був широко шанований як один із видатних астрономів-спостережників двадцятого століття. Як я вже зазначав, він також був добре відомий як агностик з матеріалістичною філософією науки і мало цікавився питаннями про існування та природу Бога – або так багато інших учасників дискусії припускало того лютневого ранку. Проте під час своєї промови він не лише описав астрономічні докази виникнення Всесвіту; він шокував багатьох своїх колег, оголосивши про недавнє релігійне навернення, а потім пояснивши, як наукові докази «події створення» сприяли глибокій зміні його світогляду.
Я пам’ятаю, як він уважно подивився на авдиторію і вагомо заявив: «Ось є докази того, що можна описати лише як надприродну подію. Немає способу, щоб це можна було передбачити в рамках фізики, як ми її знаємо». Говорячи, він зробив павзу між словами «над» і «природний», сказавши їх окремо, щоб підкреслити. Далі він пояснив, що «донедавна наука займалася не першопричинами, а, по суті, вторинними причинами. Те, що сталося за останні п’ятдесят років, – видатна подія в астрономії та астрофізиці. Подивившись на небо, деякі астрономи прийшли до переконання, що є докази «події створення»».
Сендейдж описав свою власну внутрішню боротьбу, щоб узгодити свою прихильність до редукціоністської та матеріалістичної філософії науки зі своїм зростним переконанням, що щось за межами суворо матеріального мало відігравати роль у створенні Всесвіту. Він пояснив, що, хоча й не думав, що наукові докази можуть довести існування Бога, він вважав, що нові відкриття в космології та фізиці надали несподівану правдоподібність і підтримку теїстичній вірі. Він продовжував:

Тепер я повинен вийти з позиції цілковитого матеріалістичного науковця-раціоналіста і сказати, що ця над природна подія для мене дає принаймні певну довіру до моєї віри в те, що у Всесвіті є якийсь проєкт. Я не можу ... упевнено сказати це. Що мені тепер робити? Я переконаний, що у Всесвіті є певний порядок. Я думаю, що всі науковці, на найглибшому рівні, такі вражені тим, що вони бачать у дивовижності внутрішнього зв’язку речей у своїй галузі... що принаймні зацікавилися, чому це так.

Слухання того, як Сендейдж так чесно бореться з питанням первісного походження, з наслідками теорії, яка погано поєднувалася з його ранішим довготривалим світоглядом, справило на мене велике враження. Чи може бути, замислювався я, що наукові відкриття про походження Всесвіту тепер кинули виклик домінантному матеріалізмові наукового істеблішменту? Сендейдж говорив стільки, так принаймні здавалося, не без підстав. Якщо матеріальний Всесвіт (маси, енергії, простору та часу) сам виник скінченний час тому, то матерія та енергія не здаються хорошими кандидатами на пояснення походження Всесвіту. Зрозуміло, що матерія та енергія не могли змусити себе виникнути до того, як вони самі заіснували.
Коли це сталося, Сендейдж був не єдиним астрономом того часу, який побачив зближення між доказами початку та теїстичною перспективою. Овен Ґінґеріч, лекція якого напередодні в Південному методистському університеті сповістила мене про конференцію, також дав зрозуміти, що він не думає, що наука може точно довести існування Бога. Однак його популярна лекція «Біблійне створення та наукова космогонія» досліджувала те, що він назвав «дивним зближенням» між даними сучасної космології та конкретно біблійною ідеєю про те, що Всесвіт миттєво виник скінченний час тому.

Рисунок 5.14. Астрофізик Роберт Джастроу з Космічного інституту Ґодарда і автор книжки «Бог і астрономи».

Кількома роками раніше покійний Роберт Джастроу (рис. 5.14) з Космічного інституту Ґодарда, що також був присутній на конференції в Даласі, опублікував популярну книжку під назвою «Бог і астрономи», в якій було багато таких самих моментів. Джастроу, який був релігійно агностичним єврейським науковцем, обговорював очевидні теїстичні наслідки теорії Великого вибуху. Хоча він визнав, що від цих наслідків йому особисто стало незручно, та пояснив, що ця теорія – з її твердженням про початок – здається, зображує походження Всесвіту в термінах, які близько відповідають тому, що припускає богослов із біблійною інформацією.
У пам’ятному висновку своєї книжки Джастроу зауважив, що відкриття певного космічного початку:

це надзвичайно дивний розвиток подій, несподіваний для всіх, крім богословів. Вони завжди приймали слово Біблії: на початку Бог створив небо і землю. ... Розвиток несподіваний, тому що наука досягла такого надзвичайного успіху в простеженні ланцюга причин і наслідків назад у часі. Для науковця, який жив вірою в силу розуму, історія закінчується, як поганий сон. Він здолав гори невігластва; він ось-ось підкорить найвищу вершину; і коли він тягнеться за останній камінь, його вітає група богословів, що сиділа там протягом століть.

Смут, Сендейдж, Ґінґеріч і Джастроу – кожен розмірковував про наслідки скінченного Всесвіту, виявлені відкриттями в спостерігальній астрономії. Здавалося, що попередні розробки теоретичної фізики видали ті самі наслідки. Але з часів Айнштайна, Фрідмана та Леметра значні нові досягнення в теоретичній фізиці підкріпили висновок про космічний початок і зробили це, можливо, ще глибшим чином.

стаціонарнго
–проникного
митєвий
Останій
над природна

поправив. щодо "над природна" — в тексті зазначено, що автор вимовив їх підкреслено роздільно.
Дякую!