измерением расстояний до близлежащих галактик дела обстоят лучше благодаря использованию звезд цефеид[24] в качестве так называемых стандартных маяков, то расстояние до достаточно удаленных галактик основывается на спекулятивных выводах о расширяющейся Вселенной и природе смещения спектра. Также для измерения расстояния в этих случаях используют сверхновые звезды определенного вида, которые, как считается, имеют одинаковую яркость вспышки[25].
Вторая проблема интерпретации астрономических наблюдений состоит в том, что мы можем наблюдать удаленные галактики только на ранних этапах их истории. Мы не можем знать, что происходит там сейчас. Это все равно как если бы мы пытались описать географию Африки, наблюдая эту часть суши только во времена динозавров. Это дает определенное преимущество космологии, делая ее и географической, и исторической наукой одновременно, однако непреодолимые ограничения, безусловно, имеют место.
Третья проблема заключается в том, что источники света, особенно когда речь идет о далеких галактиках, чрезвычайно тусклы не только оттого, что они физически удалены от нас, но и потому, что их свет при спектральном анализе указывает на значительное красное смещение [26], которое используется как одно из доказательств теории расширяющейся Вселенной.
Очень сложно уловить свет, идущий от далеких галактик, не говоря уже о трудности делать выводы об объектах, его излучающих.
Более того, существует проблема абсорбции этого света промежуточным веществом, находящимся на пути света к нам. Чем дальше находится объект, тем тяжелее становятся эти проблемы. Таким образом, неопределенность нашего знания о Вселенной быстро увеличивается с расстоянием. Определенным решением этой проблемы может быть так называемая геологическая информация, т. е. современное состояние скал, планет, кластеров звезд, галактик и т. д. Эта информация может содержать данные о прошлом вещества, составляющего эти объекты. Изучение этой информации позволяет нам получить представление о происходившем в месте нашего наблюдения в далеком прошлом, если нам, конечно, удастся правильно интерпретировать эти данные.
«Геологические» наблюдения могут позволить изучить прошлое доступной нам области Вселенной, и сравнить его с наблюдаемым в отдаленных ее частях.
Физические и астрофизические наблюдения дают нам представление о далеком прошлом удаленных объектов. Они ложатся в основу физической космологии, призванной изучать эволюцию структур Вселенной, подтверждая теоретические выводы наблюдениями. Мы также имеем возможность определять распространенность элементов в доступной нам области Вселенной и проводить сравнение с удаленными частями Вселенной, что может помочь нам лучше понять нуклеосинтез[27] , произошедший в результате гипотетического Большого взрыва.
Одной из серьезных трудностей космологии, построенной на наблюдениях, является определение геометрии Вселенной на большой шкале.
Очевидным подходом к решению данной проблемы могут стать попытки определения геометрии Вселенной, основываясь на наблюдениях (предполагая, что природа наблюдаемых объектов правильно интерпретирована). Этот подход основывается на так называемой теореме обсервационной космологии (Observational Cosmology Theorem), которая утверждает, что с помощью наблюдений можно собрать достаточно необходимой информации о геометрии Вселенной. Мы можем предложить обратную теорему «неопределенности Вселенной» или «теорему космологической неопределенности»:
Даже если предположить, что «теорема обсервационной космологии» верна и определенных наблюдений достаточно, чтобы делать обобщенные выводы о пространственно-временной геометрии Вселенной, может оказаться, что наблюдаемая Вселенная является лишь малой частью более вместительной Вселенной, которая навсегда может оказаться недоступной нашему обозрению.
Более того, если верить ведущей космологической теории об ускорении расширения Вселенной, которое может разделять разные части Вселенной в таком темпе, что свет от удаленного объекта никогда не сможет дойти до нас в силу того, что скорость света является конечной величиной, в соответствии с существующим представлением в современной физике.
Фигурально выражаясь, размер обозреваемой Вселенной вырос в тысячу раз за последние сто лет благодаря улучшению наших телескопов. Возможно, стоит подождать еще сто лет, пока наши приборы станут еще более чувствительными, прежде чем начинать в очередной бесчисленный раз делать обобщающие космологические выводы? А может быть, такие выводы вообще противоречат научному подходу, и какими бы ни были наши приборы, космологические выводы всегда будут основываться на спекулятивных соображениях?
Наблюдаемая в настоящее время Вселенная представляется плоской, что, впрочем, может оказаться неверным, по мере того как размер доступной для нашего обозрения Вселенной увеличится. Точно так же Земля кажется плоской, однако, наблюдая нашу планету из космоса, наблюдатель сможет убедиться в своей ошибке.
Итак, стоит ли вкладывать усилия и средства в исследования тех областей, которые очевидно страдают от недостатка данных для достижения определенных результатов? Возможно, лучше оставить эти области до тех пор, пока не появятся новые методы, которые позволят нам пересмотреть изучаемые нами вопросы и, возможно, поставить их по-новому. Увы, этот подход отвергается современной наукой. Какой смысл в жертвах многочисленных героев-первопроходцев, пытавшихся достигнуть Северного и Южного полюсов Земли, если через считанные десятилетия эти области стали доступны для изучения с помощью авиации? Самолеты были сконструированы для независимых, вполне независимых от арктического освоения целей, но впоследствии смогли легко удовлетворить потребность географов к исследованию этих труднодоступных мест (которые, впрочем, оказались не столь занимательными, как ожидалось).
Можно применить аллегорию, описывающую космолога в качестве человека, стоящего на вершине холма в пустыне и пытающегося делать многозначительные выводы о Земле в целом, не подозревая о наличии на ней лесов, озер, морей, океанов...
Так или иначе, теоретически представляется возможным, основываясь на наблюдаемом материале, исследовать пространственно-временные характеристики Вселенной, если нет помех. Однако в реальности эта задача чрезвычайно трудна, поскольку сложно установить расстояние до всех наблюдаемых объектов, что требует точного понимания их природы. Кроме того, изображения удаленных объектов значительно искажены. Чем дальше мы заглядываем в глубь Вселенной, тем более неопределенными становятся наши выводы. Иногда к астрофизическим наблюдениям приступали без их теоретического обоснования. Именно так были проведены исследования, установившие структуру расположения галактик в трехмерном пространстве. Таким образом были обнаружены большие пустоты (voids) и такие таинственные структуры, как галактические стены, состоящие из множества галактик[28].
Однако такой взвешенный подход, не зацикленный ни на одной из теорий и включающий в себя планомерный сбор данных, не заслужил широкого внимания космологов, поскольку существует немало сложностей наблюдательного характера и результаты таких исследований не способны объяснить те или иные явления. Космологи же считают своим долгом искать ответы на вопросы: что, как, когда, почему, которые нам представляются нелегитимными и ненаучными по отношению к Вселенной.
В официальной космологии планирование исследований основывается на определенной теории. Например, мы предполагаем
