БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ: ОТ МАЛОГО К БОЛЬШОМУ — СКВОЗЬ ВРЕМЯ

БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ: ОТ МАЛОГО К БОЛЬШОМУ — СКВОЗЬ ВРЕМЯ

Теперь, когда мы вышли в пространство и рассуждаем о самых больших размерах, которые можно увидеть в наблюдаемой Вселенной, можно сказать, что мы достигли внешних пределов видимого (и вообразимого). Попробуем разобраться, как Вселенная, в которой мы живем, развивалась во времени и откуда взялись те громадные структуры, которые мы сегодня видим. Теория Большого взрыва говорит нам, что Вселенная за 13,75 млрд лет своей жизни выросла с первоначального размера до нынешних 100 млрд световых лет. Фред Хойл шутливо назвал теорию в честь первоначального толчка — взрыва, после которого раскаленный плотный шар начал расширяться, превращаясь в массу звезд и звездных структур, которые мы наблюдаем: шар рос, вещество «растекалось» по все большему объему и постепенно остывало.

Однако есть вещи, о которых мы вообще ничего не знаем: что, собственно, взорвалось в самом начале и как это произошло или хотя бы какого оно было размера до взрыва. Если последующую эволюцию Вселенной мы себе более или менее представляем, то ее рождение по–прежнему покрыто тайной. Но хотя теория Большого взрыва ничего не говорит нам о начальном моменте существования Вселенной, это все же очень успешная теория, которая может многое сообщить нам о ее последующем развитии. Сегодняшние наблюдения вместе с теорией Большого взрыва позволяют нам в значительной степени восстановить ход эволюции нашей Вселенной.

В начале XX в. никто еще не знал, что Вселенная расширяется. Вообще, в тот момент, когда Эдвин Хаббл впервые взглянул на небо, об эволюции Вселенной известно было очень мало.

Харлоу Шепли измерил Млечный Путь и получил 300 ООО световых лет в поперечнике, но при этом он был убежден, что, кроме Млечного Пути, во Вселенной ничего нет. В 1920–е гг. Хаббл понял, что некоторые туманности, которые Шепли считал пылевыми облаками (и которые выглядели под стать этому скучному названию), на самом деле представляют собой галактики, отстоящие от нас на миллионы световых лет.

Распознав галактики, Хаббл сделал второе поразительное открытие — расширение Вселенной. В 1929 г. он отметил красное смещение галактик, то есть доплеровский эффект, при котором свет от более далеких объектов сдвигается к большим длинам волн. Красное смещение свидетельствовало о том, что галактики удаляются от нас, примерно так же, как более глухой вой сирен машины скорой помощи говорит о том, что машина быстро удаляется прочь (рис. 71). Оказалось, что галактики, которые Хабблу удалось выявить, не являются неподвижными по отношению к Солнечной системе, а разбегаются в разные стороны. Эффект видимого разбегания галактик было легче всего объяснить тем, что мы живем в расширяющейся Вселенной, где расстояния между галактиками постоянно увеличиваются.

РИС. 71. Свет от объекта, удаляющегося от нас, сдвигается к более низким частотам, то есть к красному концу спектра, тогда как свет от объектов, приближающихся к нам, сдвигается в сторону более высоких частот, то есть претерпевает синее смещение. Аналогичным образом звук сирены понижается, когда машина отъезжает, и повышается, когда она подъезжает

Расширение Вселенной отличается от картин, которые первым делом возникают в нашем воображении. Нельзя считать, что Вселенная расширяется в каком?то заранее определенном пространстве. Вселенная — это все, что существует. Вокруг нее нет ничего, в пределах чего она могла бы расти. Вселенная, как и само пространство, просто расширяется. Любые две точки в ней со временем отдаляются друг от друга. Другие галактики непрерывно убегают от нашей, но наше местоположение ничем не выделяется среди прочих, — просто все галактики разбегаются по отношению друг к другу и к любой конкретной точке в пространстве.

Вообразить себе эту ситуацию можно при помощи обычного воздушного шарика. Представьте, что вы отметили на шарике две произвольные точки. Если вы продолжите надувать шарик, точки отдалятся друг от друга (рис. 72). Примерно то же происходит с любыми двумя точками во Вселенной при ее расширении. Расстояние между ними — или между любыми двумя галактиками —- увеличивается.

РИС. 72. На примере вселенной–шарика можно видеть, как все точки на ее поверхности удаляются друг от друга при надувании шарика (расширении Вселенной)

Обратите внимание: в нашей аналогии точки не обязательно увеличиваются сами по себе — увеличиваются расстояния между ними. Именно так происходит и в реальной расширяющейся Вселенной. Атомы, к примеру, прочно скреплены электромагнитными силами и, естественно, не становятся больше. Не увеличиваются в размерах и такие относительно плотные и прочно связанные структуры, как галактики. Сила, заставляющая Вселенную расширяться, действует и на них тоже, но поскольку в них значительны и другие силы, то сами галактики не растут с общим расширением Вселенной. Действующие в них силы притяжения настолько существенны, что галактики сохраняют свои размеры, тогда как расстояния между ними непрерывно растут.

Разумеется, аналогия с воздушным шариком далеко не идеальна. У Вселенной три пространственных измерения, а не два, как у оболочки шарика. Более того, Вселенная велика и, вероятно, бесконечна по размеру, а не мала и искривлена, как поверхность шарика. Мало того, шарик существует в нашей Вселенной и расширяется в ней же, в отличие от Вселенной, которая существует и расширяется сама по себе. Но, несмотря на все ограничения, сравнение с шариком помогает представить, что такое расширение пространства. Каждая точка на ней удаляется одновременно от всех остальных точек.

Аналогия с шариком — на этот раз речь идет о его внутреннем содержимом — помогает понять и то, как Вселенная остывала, превращаясь из горячего плотного шара в нынешнее свое состояние. Представьте очень горячий шар, который вдруг начинает расширяться до очень больших размеров. Если сначала он, возможно, слишком горяч и до него невозможно дотронуться, то после расширения воздух в нем окажется намного прохладнее. Теория Большого взрыва утверждает, что первоначальная горячая и плотная Вселенная расширялась, одновременно остывая.

Надо сказать, что еще Эйнштейн вывел гипотезу о расширении Вселенной из уравнений общей теории относительности. Однако в то время никто еще не измерил и не обнаружил это расширение экспериментально, и Эйнштейн не поверил собственным выводам. Пытаясь примирить свою теорию со стационарной Вселенной, он ввел новый тип энергии, включив для этого в свои уравнения лямбда–член. После наблюдений Хаббла Эйнштейн отказался от этого искусственного средства и назвал его «величайшим заблуждением». Однако оказалось, что и гипотеза о дополнительной энергии не была полностью ошибочной. Как мы скоро узнаем, недавние измерения показывают, что так называемая космологическая константа, введенная Эйнштейном, действительно необходима для объяснения наблюдаемых явлений. В то же время ее измеренная величина, отвечающая за недавно обнаруженное ускорение расширения, оказалась примерно на порядок больше, чем та, что предлагал сам Эйнштейн, чтобы просто стабилизировать Вселенную.

Расширение Вселенной — прекрасный пример слияния походов «сверху вниз» и «снизу вверх» в физике. Теория гравитации Эйнштейна подразумевала, что Вселенная должна расширяться, но лишь с экспериментальным открытием этого расширения физики почувствовали себя на верном пути.

Сегодня мы называем число, определяющее скорость расширения Вселенной в настоящее время, постоянной Хаббла. Это постоянная величина в том смысле, что местное расширение в любой точке пространства идет с одинаковой скоростью. Однако параметр Хаббла не постоянен во времени. В прежние времена, когда Вселенная была более горячей и плотной, а гравитационные эффекты в ней проявлялись сильнее, она расширялась намного быстрее, чем сегодня.

Точно измерить постоянную Хаббла очень сложно, потому что мы сталкиваемся здесь с той самой проблемой, которую поднимали и раньше, — проблемой различения прошлого и настоящего. Нам нужно знать, как далеко от нас находятся галактики, испытывающие красное смещение, поскольку красное смещение определяется скоростью, а она связана с расстоянием через коэффициент в виде постоянной Хаббла. Именно связанные с этим неточные измерения были причиной двукратного занижения возраста Вселенной, о котором я говорила в начале этой главы. Неопределенность при оценке параметра Хаббла была примерно такой же, как и неопределенность возраста Вселенной.

Это противоречие к настоящему моменту практически разрешено. Параметр Хаббла измерен Венди Фридман из Гарвард–Смитсоновского центра астрофизики, так что скорость удаления галактики, отстоящей от нас на миллион световых лет, составляет примерно 22 км/сек. На основании этой величины мы теперь знаем, что возраст Вселенной составляет около 13,75 млрд лет. Погрешность в определении возраста все еще может составлять 0,2 млрд лет, но ошибиться вдвое мы уже не можем. Оставшаяся неопределенность тоже может показаться очень большой, но на самом деле получившийся диапазон достаточно узок, чтобы сегодня практически не влиять на наши представления об окружающем мире.

Теорию Большого взрыва подтвердили и еще два принципиально важных класса наблюдений, результаты которых прекрасно совпадают с ее предсказаниями. Один класс измерений основан одновременно на физике элементарных частиц и предсказаниях общей теории относительности и потому подтверждает то и другое одновременно; речь идет об измерении плотности различных элементов, таких как гелий и литий, в космосе. Относительное количество этих элементов, предсказанное теорией Большого взрыва, совпадает с реально измеренным. Это в некотором роде косвенное доказательство, так как для вычисления этих плотностей необходимы сложные и подробные расчеты, основанные на ядерной физике и космологии. Несмотря на это, случайное совпадение реально обнаруженного множества разных элементов с предсказанной маловероятно, и, скорее всего, это означает, что физики и астрономы на верном пути.

Когда американские ученые Роберт Уилсон и Арно Пензиас в 1964 г. случайно обнаружили фоновое микроволновое излучение с температурой 2,7 К, их открытие стало новым подтверждением теории Большого взрыва. Чтобы вы могли представить, что это за излучение, скажу, что ничего не может быть холоднее абсолютного нуля — нуля градусов по Кельвину. Фоновое излучение Вселенной теплее абсолютного нуля менее чем на три градуса.

Сотрудничество и приключения Роберта Уилсона и Арно Пензиаса (за которые они в 1978 г. были удостоены Нобелевской премии) — прекрасный пример того, как фундаментальная наука и технологии иногда объединяют усилия и достигают результата, которого никто не мог предугадать. В давние времена, когда фирма AT&T еще была в Америке телефонным монополистом, она сделала замечательную вещь — основала Лабораторию Белла, знаменитую Bell Labs, выдающийся исследовательский центр, где бок о бок проводятся фундаментальные и прикладные исследования.

В этой лаборатории работали и Роберт Уилсон — изобретатель всевозможных хитрых устройств, и Арно Пензиас — ученый. Оба они пользовались радиотелескопами и вместе работали над их усовершенствованием. Уилсон и Пензиас интересовались наукой и техникой, фирма AT&T, что понятно, интересовалась телекоммуникациями, поэтому радиоволны в небе представляли интерес для всех без исключения.

Преследуя конкретную радиоастрономическую цель, Уилсон и Пензиас обнаружили одну особенность, которую поначалу сочли просто необъяснимой помехой. Это был однородный фоновый шум, похожий на шум ненастроенного радиоприемника. Он не исходил от Солнца и не имел отношения к недавним ядерным испытаниям. Девять месяцев ученые пытались понять, что происходит, опробовав за это время все мыслимые и немыслимые объяснения (включая предположение о том, что антенны загрязнены голубиным пометом). Они проверили все, что пришло в голову, отчистили антенну от помета (или «белого диэлектрического вещества», как именовал его Пензиас) и даже перестреляли всех голубей в округе, но шум не уходил.

Уилсон рассказывал мне, что свое открытие они совершили в очень подходящее время. Сами они ничего не знали о Большом взрыве, но Роберт Дик и Джим Пиблз из Принстонского университета знали. Тамошние физики поняли, что одним из следствий теории Большого взрыва должно быть реликтовое микроволновое излучение. Они как раз готовили эксперимент, который должен был бы измерить это излучение, когда обнаружили, что дело уже сделано учеными из Лаборатории Белла, которые пока сами не поняли, что открыли. К счастью для Пензиаса и Уилсона, астроном из Массачусетского технологического института Берни Берк знал и о принстонских исследованиях, и об открытии Пензиаса и Уилсона. Он и довел дело до результата — «состыковал» все заинтересованные стороны.

Вообще, вся эта история — прекрасный пример науки в действии. Исследования проводились с конкретной научной целью, которая могла принести и какие?то дополнительные бонусы — и технические, и научные. Астрономы не искали того, что нашли, но обладали высочайшей технической и научной квалификацией. Обнаружив что?то неожиданное, они и не подумали просто отбросить неудобные данные. Их исследование привело к открытию, имевшему огромные последствия, а успеха они достигли потому, что кроме собственной локальной цели держали в голове и всю научную картину мира. Так случайное открытие ученых навсегда изменило космологическую науку.

Реликтовое космическое излучение оказалось полезнейшим инструментом — оно не только подтвердило теорию Большого взрыва, но и превратило космологию в точную науку. Космическое микроволновое фоновое излучение дало нам возможность совершенно по–новому увидеть прошлое Вселенной.

В прошлом астрономы наблюдали объекты в небе, пытались определить их возраст и восстановить их эволюционную историю. Сегодня при помощи реликтового излучения ученые могут заглянуть непосредственно в прошлое, в те времена, когда звезды и галактики еще не сформировались. Свет, который они наблюдают, был излучен очень давно — на ранней стадии эволюции Вселенной. Когда кванты микроволнового фона, которые мы регистрируем сегодня, были излучены, размер Вселенной составлял лишь тысячную долю от ее современного размера.

Первоначально во Вселенной были только всевозможные частицы — и заряженные, и незаряженные, но, после того как она достаточно остыла, а на это ушло примерно 400 ООО лет, заряженные частицы объединились в нейтральные атомы. После того как это произошло, свет перестал рассеиваться — как говорят физики, произошло отделение излучения от вещества. Таким образом, наблюдаемое сегодня реликтовое излучение доходит до наших наземных и спутниковых телескопов непосредственно из времени, отстоящего от момента рождения Вселенной на 400000 лет, — доходит неизменным и непрерывным. Фоновое излучение, открытое Пензиасом и Уилсоном, — это то самое излучение, которое присутствовало еще на ранних стадиях эволюции Вселенной, только «разбавленное» и остывшее в процессе ее расширения. Это излучение попало прямо в телескопы, где и было зарегистрировано, без всякого рассеяния на случайных заряженных частицах. Этот свет открывает для нас широкое окно в прошлое.

Спутник СОВЕ (Cosmic Microwave Background Explorer), запущенный в 1989 г. и проработавший в космосе четыре года, измерил реликтовое излучение с необычайной точностью, и ученые обнаружили, что их измерения согласуются с теоретическими предсказаниями с точностью до одной тысячной. Но СОВЕ измерил и кое?что новое. Безусловно, самым интересным из его результатов стала легкая неоднородность — анизотропия распределения температуры излучения по небесной сфере. Вообще?то Вселенная чрезвычайно однородна, но крохотные отклонения на уровне менее одной десятитысячной на раннем этапе ее развития позже увеличились и сыграли важную роль при формировании различных структур. Неоднородности возникли на крохотных длинах, но со временем увеличились до размеров, существенных для астрономических измерений и структур. Гравитация собрала воедино более плотные области, где неоднородности были особенно сильны, и сформировала из них массивные структуры, которые мы в настоящее время наблюдаем. Звезды, галактики и скопления галактик являются результатом возникших в начале времен крохотных квантово–механических возмущений и их дальнейшего развития под действием гравитационных сил.

Наблюдение микроволнового фонового излучения продолжает оставаться важнейшим фактором наших представлений об эволюции Вселенной. Его роль как настоящего окна в прошлое невозможно переоценить. Не так давно исследования реликтового излучения вместе с более традиционными методами исследований представили ученым экспериментальные свидетельства новых загадочных явлений — инфляционной модели Вселенной (космической инфляции), а также скрытой массы и темной энергии, о которых мы поговорим в следующей главе.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.