Глава 9 Неопровержимое доказательство Большого взрыва

Если наша Вселенная (давайте не отвлекаться на слово «видимая») была меньше в прошлом, как вы могли бы это доказать? Физическое путешествие во времени – не вариант, но вы можете заглянуть в прошлое.

К настоящему моменту вы должны уже привыкнуть к тому, что, собирая свет звезд, светящих на расстоянии миллиардов световых лет от нас, вы видите, что они выглядят как много миллиардов лет тому назад. Вы смотрите на прошлое. Таким образом, можно проверить, была ли Вселенная тогда меньше, или искать намеки на этот эффект по пути следования достигшего нас света.

Однако не всегда легко понять, что именно видно в отдаленных уголках Вселенной. До сих пор лучшим способом было получить точную картину ожидаемого, а затем проверить, соответствует ли она действительности. Это именно то, чем занимаются физики-теоретики (по крайней мере то, что они должны делать – иногда).

Но теперь давайте посмотрим, какой вывод можно получить до разглядывания чего-либо в телескопе.

Вы снова на пляже тропического острова.

Глубокая ночь, но вместо разглядывания звезд вы, два раза убедившись, что кругом никого нет, начинаете беседовать вслух с самим собой, чтобы выстроить картину истории Вселенной в своем уме…

– Если Вселенная расширяется, то в прошлом она должна была быть меньше.

– ОК.

– Но если это так, то гравитация, или искривление пространства-времени, была бы тогда гораздо более выраженной, так как вся материя и энергия Вселенной заключались в меньшем объеме.

– Это как раз то, о чем так или иначе говорят уравнения Эйнштейна.

– Отлично.

– Затем пространство-время стало расти, потому что по некоторым причинам произошло расширение. Оно началось с маленького, очень плотно заполненного материей и энергией объема, превратившись спустя 13,8 миллиарда лет расширения в то, что имеется теперь, с подобными Земле планетами и звездами, похожими на те, что мы можем видеть над островом.

– Если картина, изображающая Вселенную маленькой, верна…

– Была ли Вселенная плотно заполнена массой или энергией, на самом деле, не имеет никакого значения, так как масса и энергия одинаково воздействуют на геометрию пространства-времени. Это тоже утверждал Эйнштейн.

– И на том спасибо.

– Теперь: если вся энергия содержалась в крошечном объеме, тогда, конечно, существовало сильное трение и происходила куча других вещей, так что в юной Вселенной, видимо, было очень жарко.

Звучит убедительно? Да, и вы не в первый раз приходите к такому выводу.

Но тогда возможно сделать и другие выводы.

Как вам такой: Вселенная могла быть настолько плотной, что ни один луч света извне в то время не мог пройти сквозь нее.

– Ни один луч света не мог пройти сквозь нее… Хм… Звучит так, как будто бы стена…

Точно, вы правы.

Отличная работа.

Такое место должно было существовать на каком-то этапе в прошлом Вселенной, если модель расширения верна от начала до конца, и оно действительно существует. Вы видели его поверхность. Это поверхность последнего рассеяния, поверхность, ограничивающая то, что можно увидеть в нашей Вселенной.

То, что вы только что проделали, довольно необычно.

Вы только что побывали в мечте физика: исходя из чистой логики, используя уравнения Эйнштейна и увиденное во Вселенной после того, как покинули свой пляж, вы выяснили, что где-то там в нашем прошлом должна существовать непроницаемая для света стена. Что ее поверхность должна быть до сих пор видна и… видна на самом деле. Эта поверхность была обнаружена в результате экспериментов и картографирована, как вы сейчас убедитесь.

Я понимаю, что, читая эти строки, вы не можете не почувствовать, как только что произвели революцию в нашем видении Вселенной, но это потому, что вам показали стену, прежде чем додуматься до нее. Вы не потратили двадцать с лишним лет жизни в попытках доказать ее существование задолго до обнаружения. Тем не менее открывшие стену ученые были невероятно поражены фактом ее наличия.

И как ее открыли?

Вновь задумчиво бродя по пляжу, вы понимаете, что есть проблема: поверхность, что вы узрели на краю сегодняшней видимой Вселенной, не совсем та, о которой вы только что думали, не правда ли? Настоящая, та, что мы можем наблюдать в телескопы, очень холодная, в то время как эта стена, всплывшая в вашем уме, была очень горячей.

Насколько горячей?

Используя уравнение Эйнштейна, некоторые ученые уже рассчитали ее предполагаемую температуру. В итоге появилась достаточно внушительная цифра: около 3000 °C. Они обнаружили, что, становясь прозрачной, вся Вселенная имела такую же температуру.

Стены, которую вы видели в небе, не было.

И это проблема.

Но разве вы о чем-то не забыли?

Разве, сделав вывод о самом существовании горячего прошлого, вы не допускаете, что пространство-время расширяется, что видимый объем Вселенной рос и со временем вырос до размеров, замеченных вашими друзьями на небе? И не могло ли это расширение оказать влияние на температуру Вселенной?

Ну да. Не только могло, но и должно было, что на самом деле меняет все.

Взять духовку на вашей кухне. Разогрейте ее так, чтобы воздух внутри стал приятно жарким. Затем выключите и представьте себе, что духовка начинает быстро расти, достигнув величины дома. Температура внутри нее мгновенно станет значительно ниже, чем при обычных размерах.

Расчеты, проведенные еще в 1948 году американскими учеными Георгием Гамовым, Ральфом Альфером и Робертом Херманом, показали, что из-за расширения Вселенной от упомянутых 3000 °C должен остаться лишь слабый след и заполнить тепловым излучением всю видимую Вселенную, как бы исходя от поверхности вашей стены. Какую температуру ожидали найти ученые?

Где-то около -260 или -270 °C. Или где-то между 3 К и 13 К выше абсолютного нуля.

И так получилось, что в 1965 году, через семнадцать лет после расчетов Гамова и его коллег, два американских физика, Арно Пензиас и Роберт Уилсон, проводили для американской компании Bell Laboratories необычную работу. Им надо было настроить антенну для приема отраженных от спутника-баллона радиоволн. Приятная легкая работа, если бы не довольно странное препятствие – раздражающий шум, слышимый на всех частотах. Чтобы избавиться от него и получить гонорар, они провели несколько блестящих проверок и поиск потенциальных инженерных неисправностей. Но ничего не помогало. Что бы они ни делали, шум был неистребим. В конце концов, не находя никаких других причин проблемы, они обвинили в ней голубей или других пролетавших мимо птиц, гадивших на их ультрасовременную антенну. Несмотря на впечатляющие научные достижения, они зашли еще дальше, проведя долгое время за ожесточенной чисткой своего устройства и проклиная существование птиц. Но шум не исчез, и дело закончилось тем, что они вызвали своих друзей – физиков-теоретиков. Вскоре после их визита они поняли, что могли пытаться избавиться от этого шума вечно без малейших шансов на успех. То, что они слышали, происходило не из-за «презентов» птиц. «Шум» исходил даже не с Земли. Это был сигнал. Температурный сигнал, сигнал температуры в 270,42 °C. И исходил он из космоса. Отовсюду.

Гамов, Альфер и Герман предсказали его. Он явился следствием уравнений Эйнштейна. Это был остаточный след температуры последнего светонепроницаемого момента нашей Вселенной; застывший кадр, снятый более 13,8 миллиарда лет назад, когда гораздо меньшая по размеру Вселенная была настолько плотно заполнена материей и энергией, что свет не мог еще проходить сквозь нее.[24]

Пензиас и Уилсон экспериментально подтвердили расчеты теории, показавшейся некоторым ученым настолько абсурдной, что даже ее название – теория Большого взрыва – было придумано одним из самых известных профессоров того времени, британцем Фредом Хойлом из Кембриджского университета, только чтобы высмеять ее.

В 1978 году Пензиас и Уилсон получили Нобелевскую премию по физике. Они обнаружили остаточное тепло растопленной очень давно печи нашей Вселенной, тепло, излучаемое с поверхности последнего рассеяния, поверхности, ограничивающей конец видимой Вселенной.[25] Это излучение, одно из неопровержимых доказательств (горячего) Большого взрыва, называется реликтовым излучением, или космическим микроволновым фоновым излучением.

Пензиас и Уилсон доказали, что теории Большого взрыва шли по правильному пути.

* * *

Однако почему это излучение называется «микроволновым»?

Это опять же связано с расширением Вселенной.

Свет, излучаемый во время последнего рассеяния, когда Вселенная стала прозрачной, был на самом деле очень заметен, включая в себя разнообразные цвета, энергии и частоты. Но таким он больше не воспринимается нашим глазом – свет растянулся.

Помните, что цвет и энергия световых волн зависят от расстояния между двумя последовательными вершинами? За 13,8 миллиарда лет свет, начав растягиваться вследствие расширения пространства-времени с индиго, постепенно превратился в синий, зеленый, желтый, оранжевый, красный, а потом… стал невидимым для глаз, став инфракрасным излучением, затем микроволнами, и, наконец, радиоволнами.

Сегодня мы находимся на стадии микроволн: то, что когда-то воспринималось как горячий, видимый свет, теперь после 13,8 миллиарда лет расширения, стало холодным микроволновым излучением температурой -270,42 °C.

Когда осознаешь это, теории Большого взрыва вдруг перестают веселить. Но что данные теории имели в виду? Может, они предполагают, что Вселенная была создана на поверхности последнего рассеяния?

Нет.

В последней главе вы убедились, что наблюдаемая с Земли поверхность в конце видимой Вселенной ничего не значит для наблюдателей вне Земли: у них есть собственные поверхности.

А теперь как насчет нас?

Если Вселенная была создана не там, то должно найтись что-то за пределами стены.

Что мы могли бы там обнаружить? Это известно? Большой взрыв?

Ну, в некотором смысле да.

Большой взрыв находится за поверхностью.

Но не непосредственно позади нее.

Это произошло еще за 380 тысяч лет.

За 380 тысяч лет до того, как Вселенная стала прозрачной.

То, что находится позади (или за пределами, или раньше) поверхности последнего рассеяния и что позже стало нашей видимой Вселенной, можно описать как суп из материи, света, энергии и искривления, становящийся все гуще и горячее. В скором времени вы будете готовы отправиться туда и увидеть все собственными глазами. Но сейчас давайте просто скажем, что чем дальше вы отдаляетесь от стены в глубокое прошлое Вселенной, тем более экстремальным все становится. Забравшись слишком далеко за ее пределы, вы в конечном итоге окажетесь окруженным потерявшим всякий смысл ничем. Даже пространство и время в конечном итоге настолько искривляются, что уравнения Эйнштейна рушатся, переставая отслеживать происходящее.

Когда происходит такое, физики-теоретики достигают места, где ничего больше нельзя сказать ни о чем. Этот момент можно считать рождением известного нам пространства и времени. Согласно определению, которое мы будем использовать на протяжении книги, он находится за пределами Большого взрыва.

Добраться до этого места и выяснить, что такое Большой взрыв, будет вашей миссией в пятой части.

В седьмой части, во время последнего путешествия, вы заглянете еще дальше, за само происхождение пространства и времени.

Почему бы не отправиться туда прямо сейчас?

Потому что вам понадобится несколько секунд, чтобы перевести дух и поздравить себя.

Вы проделали долгий путь с тех пор, как впервые высадились на Луне. Вы узнали много таких фактов о Вселенной, которые ваши прадеды даже не могли себе представить.

Вы узнали, что ткань Вселенной представляет собой смесь пространства и времени, называемую пространство-время, и что она не только принимает очертания того, что в ней находится, но и развивается в соответствии со своей геометрией и содержимым.

Вы узнали, что Вселенная огромна по любым меркам, гораздо больше, чем мы можем увидеть, и что мы не знаем ни ее формы, ни размеров.

Более того, наша видимая реальность еще и достаточно вместительна, но это не всегда было так.

Вы узнали, что у Вселенной есть история, что она, вероятнее всего, имела начало, около 13,8 миллиарда лет в прошлом, скрытом за непроницаемой для света поверхностью.

И вы узнали, что она расширяется до сих пор, становясь все больше с каждой минутой.

И вы должны гордиться, что поняли все это.

Почему бы тогда не отправиться прямо к началу Вселенной?

Хорошим поводом для путешествия может стать то, что в первую очередь необходимо попытаться выяснить, что содержит Вселенная. Без таких знаний нет шансов когда-либо разгадать ее самые потаенные секреты. Ни о возможном происхождении, ни о возможной судьбе.

– Хорошо, давайте! – восклицаете вы, открывая глаза.

Ласковый ночной ветер веет над океаном. Полнолуние. Круглая поверхность Луны отражает солнечные лучи, погружая ваш остров в серебро света и тени. Несколько черепах робко выползают из воды, чтобы провести ночь на песке и, возможно, отложить яйца, если день задастся.

И вы чувствуете себя потрясающе.

– Я скоро вернусь! – кричите вы звездам. Но вы больше не один.

Услышав шепот за спиной, вы оборачиваетесь, только чтобы увидеть друзей, обсуждающих ситуацию с двоюродной бабушкой.

Слыша всю ночь ваши разговоры с самим собой на пляже, они решили перенести вам дату отъезда и подыскать самый ранний рейс домой. Самолет вылетает через пару часов. Нужно успеть собраться и немного отдохнуть, говорят они.

Все ваши крики, жалобы, философские рассуждения и речи о свободе не оказывают на них никакого действия.

ТКАНЬ ВСЕЛЕННОЙ ПРЕДСТАВЛЯЕТ СОБОЙ СМЕСЬ ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ. ВСЕЛЕННАЯ ОГРОМНА, И МЫ НЕ ЗНАЕМ НИ ЕЕ ФОРМЫ, НИ РАЗМЕРОВ. ВСЕЛЕННАЯ РАСШИРЯЕТСЯ ДО СИХ ПОР, СТАНОВЯСЬ ВСЕ БОЛЬШЕ С КАЖДОЙ МИНУТОЙ.

Вас отправляют домой.

И теперь, как бы ни было жаль покидать море, птиц и сладкий аромат ветра, позвольте мне сказать следующее: путешествие по современным научным знаниям только начинается.