Маленькая книга о Большом взрыве - Тони Ротман
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
Вы можете помнить из главы 3, что геометрию пространства Вселенной определяет материя. Если плотность материи во Вселенной превысит некое критическое значение, составляющее примерно 10– 29 г/см3 (то есть 10 атомов водорода на м3), скорость расширения модели Вселенной Фридмана, как и в примере со взрывом массивной ракеты-фейерверка, постепенно опустится до нуля, а затем станет отрицательной, и в итоге Вселенная коллапсирует обратно. Такую Вселенную, геометрия которой повторяет геометрию сферического шара, принято называть замкнутой.
Если плотность объектов во Вселенной окажется ниже критического значения, ее геометрия примет вид бесконечно большого рифленого картофельного чипса, на котором близлежащие параллельные линии расходятся. Такая модель будет расширяться вечно и называется открытой.
Реальная же Вселенная, как уже было сказано в главе 3, кажется плоской и напоминает нечто среднее между открытой и замкнутой Вселенными. Если скорость расширения будет постепенно снижаться и стремиться к нулю, то Вселенную ждет медленное сползание в вечность[14].
В то же время получается, что если в будущем скорость расширения будет опускаться до бесконечно низкого показателя, то в прошлом эта скорость была бесконечно высокой. Так и есть: к моменту Большого взрыва она действительно стремилась к бесконечности.
Такое правда возможно?
5
Розеттский камень космологии: космический радиационный фон
Открытие расширяющейся Вселенной положило начало современной космологии. Тот факт, что средняя температура в космосе на 3 °С выше абсолютного нуля, лег в основу современной теории Большого взрыва.
Как мы уже знаем, само по себе расширение Вселенной не доказывало, что космос появился в результате Большого взрыва. Ведь вполне возможно, что Вселенная всегда выглядела более или менее так, как сейчас. В подобном случае пусто́ты, образующиеся по мере удаления галактик друг от друга, должны были бы заполняться новыми, медленно образующимися галактиками. Подобный сценарий, в котором Вселенная существовала всегда, был назван теорией устойчивого состояния.
Конечно, не так-то просто представить себе такую Вселенную, но не менее трудно представить Вселенную, появившуюся из ниоткуда 14 миллиардов лет назад. Кроме того, до середины XX века ученые просто не обладали достаточным объемом экспериментальных доказательств ни в пользу теории Большого взрыва, ни в пользу «устойчивой» модели Вселенной.
Все изменилось буквально за одну ночь в 1965 году. Еще годом ранее два радиоастронома лаборатории Белла (Nokia Bell Labs) Арно Пензиас и Роберт Уилсон работали с высокочувствительной антенной по спутниковой программе «Эхо» (Echo), исследуя радиосигналы из нашей галактики. Для получения корректных результатов вычислений нужно было свести все локальные радиопомехи к минимуму, начиная от свечей зажигания на проезжающем неподалеку тракторе и заканчивая самим прибором. Устранив все возможные источники помех, включая птичий помет в антенне, Пензиас и Уилсон, к своему удивлению, обнаружили, что нежелательный сигнал, замеченный ими ранее, никуда не исчез. Этот слабый сигнал наблюдался по всему небу, причем везде он был одинаковым. Это значило, что сигнал исходит не из галактики. Пензиас позвонил Роберту Дикке, в то время занимавшему пост руководителя космологической группы в Принстонском университете, где как раз занимались поисками подобных сигналов. Выслушав его и повернувшись к своим коллегам, Джеймсу Пиблзу и Дэвиду Уилкинсону, Дикке сказал: «Нас опередили, парни».
Так Пензиас и Уилсон открыли реликтовое излучение, или космический микроволновый фон (Cosmic microwave background radiation, CMBR) – что-то вроде тепла, оставшегося после Большого взрыва. Все сторонники «устойчивой» модели Вселенной в скором времени окончательно вымерли, и теория Большого взрыва стала стандартной космологической моделью. В оставшейся части книги мы проследим за тем, как эта модель развивалась.
* * *
Что же представляет собой реликтовое излучение? Начнем с того, что все горячие тела – то есть все объекты, чья температура превышает значение абсолютного нуля, – излучают электромагнитную энергию в виде тепла. Тепло излучают не только печи и компьютеры, это также делают скалы, рыбы, вы и я. По сложившейся традиции физики называют тепловое излучение излучением абсолютного черного тела, а объекты, излучающие это тепло, абсолютно черными телами (АЧТ) – даже в том случае, если они не черные.
Основополагающее и важное свойство излучения АЧТ состоит в том, что оно ни в коей мере не зависит от состава тела, а только от его температуры. Таким образом, температура тела говорит нам о количестве испускаемого излучения, и наоборот. Когда врач направляет дистанционный термометр на ваш лоб, он измеряет именно интенсивность излучения тепла вашим телом и, следовательно, вашу температуру. По сути, Пензиас и Уилсон проделали то же самое: направили термометр на Вселенную и измерили ее температуру. Именно благодаря их стараниям мы теперь знаем, что температура во Вселенной составляет 2,7 °С выше абсолютного нуля.
Частота вещания типичной FM-радиостанции составляет около ста мегагерц, что соответствует длине волны 3 м[15]. Горячее тело, аналогично, излучает тепло в виде волн разной длины, и количество излучения на разных волнах может заметно отличаться. Спектр излучения АЧТ – то есть количество энергии, излучаемой в виде волн разной длины, – определяется исключительно его температурой. Эта особенность делает спектр абсолютно черного тела практически универсальным. По форме он похож на график на рисунке ниже, хотя его точная форма зависит, опять же, от температуры. На графике видно, что большая часть энергии излучается на пиковой длине волны, которая при температуре черного тела 2,7 °С составляет примерно 3 см, то есть частота излучения равна 100 гигагерцам. Она соответствует микроволновому радиодиапазону – та самая M в CMBR.
Рис. 6
Интенсивность излучения – это объем энергии, проходящий через 1 см2 каждую секунду. Как и интенсивность воды, бьющей из садового шланга, интенсивность излучения складывается из определенного количества частиц, проходящих сквозь 1 см2 пространства за 1 секунду. Поскольку тепло по сути своей является электромагнитным излучением, а электромагнитное излучение – светом, частицами в данном случае выступают фотоны. Таким образом, сказать, что температура CMBR составляет 2,7 °С – все равно что сказать, что в каждом кубическом сантиметре межгалактического пространства в настоящее время содержится около четырехсот фотонов, оставшихся с момента Большого взрыва.
С самого своего открытия спектр CMBR измерялся много раз в ходе различных экспериментов, первый из которых воплотился в запуске спутника Cosmic Background Explorer (COBE), состоявшемся в 1989 году. Результаты эксперимента показали, что спектр CMBR совпадает со спектром абсолютного черного
