Расстояния до звезд огромны, и измерять их километрами неудобно, так как получается слишком большое число километров. И ученые ввели более крупную единицу измерения: световой год. Это такое расстояние, которое свет проходит в течение одного года. Во сколько раз эта единица измерения больше, чем километр? 300 000 км/сек. надо умножить на число секунд в году. Получим приблизительно 10 триллионов километров. Значит, один световой год больше одного километра в 10 триллионов раз. Звезды могут находиться от нас на расстояниях, равных десяткам, сотням, тысячам световых лет и более. До Плутона – самой дальней планеты Солнечной системы – космический аппарат летит немногим больше десяти лет. А можно ли долететь до Большой Медведицы или Кассиопеи? Долететь до созвездий невозможно. Каждое созвездие – это тот участок неба, который виден с Земли. Из-за очень большого расстояния нам кажется, что звезды расположены рядом. На самом деле звезды, входящие в одно созвездие, находятся на разных расстояниях от Земли. Эти расстояния огромны, и поэтому звезды при приближении к ним будут расступаться, как деревья в лесу. А если вы захотите долететь до звезды? Теоретически это возможно. Но с какой же скоростью надо двигаться и сколько лет добираться, например, до Сириуса? Если со скоростью света (300 000 км/сек., самой большой скоростью в природе), то потребуется почти девять лет. А до Беги – 27. А до Полярной звезды расстояние 432 световых года, т. е. луч света от Полярной звезды к Земле летит 432 года. Это значит, что если эта звезда потухнет, то на Земле узнают об этом через 432 года, а сейчас мы видим ее такой, какой она была почти полтысячелетия назад.

Еще не придумали таких летательных аппаратов, которые смогли бы мчаться со скоростью света или близкой к ней. Поскольку мы не можем удалиться на значительные расстояния от Земли, чтобы сменить точку наблюдения, мы всегда будем получать только двухмерную картину неба, которая несет в себе только частичную информацию настоящего трехмерного распределения вещества во Вселенной. Многие звезды, которые на небе предстают нам в близких позициях, на самом деле удалены друг от друга на огромные расстояния, и только в двухмерной проекции, и только с нашей точки наблюдения представляются близкорасположенными. Например, созвездия – группы звезд, которые мы в течение тысячелетий считали основной структурой небес, в действительности не имеют никакого смысла в астрономическом отношении, поскольку большинство звезд, входящих в их состав, только кажутся близкими. Давайте посмотрим на созвездие Малой Медведицы (Ursa Minor / Little Dipper).

Итак, хорошо всем известная Полярная звезда (Polaris), указывающая направление к Северному полюсу, находится в 432 световых годах от нас, в то время, как ее соседка, Delta Ursae Minoris, – всего в 183 световых годах, что является в два раза меньшим расстоянием. Полярная звезда ярче только потому, что Delta Ursae Minoris – небольшая звезда размером с наше солнце, а Полярная звезда – гигант.

Звезды в небе вовсе не располагаются относительно друг друга так, как нам это кажется! Чтобы получить трехмерную картину неба, нам необходимы надежные методы определения расстояния до звезд и галактик. Несмотря на то что у нас есть различные методики измерения расстояний, на них не всегда можно положиться. Некоторые расстояния до сих пор измерены лишь с точностью в 50%. Это все равно, как если вы, оказавшись в пути с бензином почти на нуле, спросите расстояние до следующей заправки, вам ответят: «Может, 50, а может, 100 километров». Как вам понравится такая точность? Это большая разница даже на примере земных расстояний, что уж говорить, когда ошибки составляют тысячи световых лет? Есть много звезд, расстояние до которых просто неизвестно. И если с 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»:

Астрофизических или каких-либо других наблюдений всегда будет недостаточно, чтобы делать обобщенные выводы об эволюции Вселенной, ее природе, геометрии и дальнейшей судьбе, поскольку даже если предположить, что определенных наблюдений было бы достаточно, невозможно доказать их достаточность.

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.