Принцип спектрографического определения скорости основан на том, что излучение удаляющегося от нас источника (в данном случае небесного объекта) немного смещается в сторону длинноволнового, низкоэнергетического края спектра, где расположена красная часть спектра, вследствие чего ученые называют это явление просто красным смещением. Совершенно аналогично, излучение приближающегося объекта смещается к другому краю спектра, что, соответственно, называют синим или фиолетовым смещением.
Это явление, в сущности, представляет собой оптический аналог широкоизвестного эффекта Допплера для движущихся источников звука. Каждый из нас замечал, что музыкальная тональность звуков проезжающего мимо автомобиля изменяется (при приближении звуки становятся более высокими, а при удалении – более низкими), что также объясняется смещением длин волн то в одну, то в другую часть спектра.
Узнав о том, что еще в 1912г. американский астроном Весто Мелвин Слипер зарегистрировал фиолетовый сдвиг в спектре Туманности Андромеды, Хаббл пришел к выводу, что она приближается к нашей галактике. Обнаруженные ранее Хабблом цефеиды позволили ему настаивать, что речь идет не о потоках космического газа, а о быстром движении гигантского звездного скопления, целой галактики (в настоящее время установлено, что Туманность Андромеды и наша галактика, Млечный Путь, мчатся навстречу друг другу со скоростью около 90 километров в секунду). Слипер изучал и другие туманности (позднее все они оказались галактиками) и обнаружил в спектре большинства из них красное смещение, доказывающее, что они удаляются от нас с высокой скоростью, доходящей до 1200 километров в секунду.
Измерения Слипера были, конечно, крупным научным достижением своего времени, но именно Хаббл догадался проанализировать и объяснить их с точки зрения смещения спектральных характеристик, что позволило ему создать еще одну, исключительно важную и интересную концепцию. Вместе с Мильтоном Хюмасоном он обнаружил, что существует прямая взаимосвязь между красным смещением галактик и расстоянием до них, т. е. чем больше это смещение (иными словами, чем выше скорость галактики), тем дальше от Земли она находится.
Этот результат, получивший название закона Хаббла, и следующие из него выводы буквально ошеломили и даже напугали многих ученых (интересно отметить, как легко общественность привыкает к новым научным представлениям, так что сегодня идеи Хаббла воспринимаются как нечто обычное даже школьниками и любителями научно-популярных телевизионных передач). Во-первых, в соответствии с законом Хаббла некоторые галактики двигались с огромной скоростью, доходящей до одной седьмой от скорости света. Во-вторых, что казалось совершенно невероятным, в теории Хаббла все вещество мира стремительно «разлеталось» в разные стороны, т. е. Вселенная расширялась! Небольшие смещения в спектрах доказывают движение гигантских звездных скоплений с огромной скоростью, а ставший знаменитым закон Хаббла устанавливает связь между расстоянием до галактики и ее скоростью. Хаббл умер в 1953 г., а через три года Хьюмасон и его сотрудники пересмотрели и обновили содержание закона Хаббла для учета новой теории, в соответствии с которой Вселенная возникла 10-12 миллиардов лет назад в результате таинственного события (получившего название Большой Взрыв или просто Биг Бэнг). Поправки были связаны с тем, что скорость разбегания галактик в начальной фазе взрыва была, по-видимому, значительно выше, чем считалось раньше, но затем несколько снизилась.
Разбегаются ли галактики с одинаковой скоростью? Если дело обстоит именно так, то ученые могли бы вычислить соответствующие постоянные Хаббла и рассчитать «прошлое» этого процесса, т. е. обнаружить ту самую исходную точку, в которой произошел Большой Взрыв, и заодно выяснить точный возраст Вселенной. К сожалению, ученые никак не могут прийти к единому мнению относительно значения этих постоянных.