Маленькая книга о Большом взрыве - Тони Ротман
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
* * *
Поскольку сам факт существования CMBR доказывает, что в прошлом температура Вселенной была выше, чем сейчас, его открытие стало последним гвоздем в крышке гроба сторонников стабильной Вселенной: они просто не смогли бы объяснить существование CMBR, продолжая верить, что Вселенная изначально пребывала в том же виде, в котором мы наблюдаем ее теперь.
Мы точно знаем, что температура в момент Большого взрыва была намного, намного выше, чем сейчас. Но поскольку Вселенная постоянно расширяется, плотность материи и, следовательно, излучения, производимого ею, продолжает постепенно снижаться. Это же наблюдение касается и плотности фотонов, которые раньше были значительно ближе друг к другу.
Мы также знаем, что в прошлом каждый фотон обладал большей энергией. Пока Вселенная расширяется, длина волны света, идущего из отдаленных ее областей, также растет, и он все сильнее смещается в красную часть спектра.
Это явление стало известно как космологическое красное смещение, хотя иногда его также называют космологическим допплеровским сдвигом, как это сделал я в главе 4. Покраснение света объясняется тем, что энергия фотонов постепенно снижается. Поскольку измерение температуры света – это, по сути, измерение уровня энергии фотонов, то получается, что в прошлом фотоны были горячее. Таким образом, когда Вселенная в видимых ее пределах была в два раза меньше, чем сейчас, температура в ней превышала нынешнюю в два раза.
* * *
Эти наблюдения позволили ученым сделать три важных вывода. Первый состоит в том, что в настоящее время плотность обычной материи во Вселенной составляет примерно 10-30 г/см3, то есть приблизительно один атом водорода на 1 см3. В то же время формула E = mc2 подсказывает, что четыреста фотонов в 1 см3 при температуре 3 °С создают плотность около 10-34 г/см3. Это в десять тысяч раз меньше, чем плотность материи. Космолог, принимая во внимание и другие параметры, мог бы заявить, что в настоящий момент во Вселенной материя преобладает.
Но это не всегда было так. При движении назад, в прошлое, плотность частиц материи и фотонов будет увеличиваться с одинаковой скоростью – точно так же, как плотность мраморных шариков, помещенных под пресс. Энергия фотонов тоже будет возрастать. Значит, когда температура Вселенной была в тысячу раз выше, чем сейчас, и составляла, скажем, 30 000 °С, плотность энергии фотонов превышала плотность материи. Получается, что раньше, приблизительно в первые 50 тыс. лет после Большого взрыва, во Вселенной преобладало излучение. Другими словами, поведение Вселенной определяли свойства фотонов, а не материи (на следующей странице вы увидите, как это может выглядеть на графике). Скоро вы поймете, почему разница между Вселенной с преобладающим излучением и Вселенной с преобладающей материей столь важна.
Рис. 7
Второй важный, и, можно сказать, волнующий вывод – следствием горячей ранней Вселенной является то, что повышение температуры не прекращалось. В момент зарождения Вселенной, буквально через секунду после Большого взрыва, температура должна была находиться на уровне около 10 млрд °С, а непосредственно в момент взрыва должна была стремиться к бесконечности. В физике появление бесконечности – это, как правило, плохой знак. Как и бесконечная скорость, на которой мы остановились в 4-й главе, бесконечно высокая температура выражает собой то, что принято называть сингулярностью Большого взрыва (в последующих главах мы будем возвращаться к ней все чаще и чаще). Нужно понимать, что, если в самый начальный, нулевой момент времени сингулярность действительно имела место, это делает всю теорию Большого взрыва совершенно несостоятельной. Манипуляции с категорией бесконечности не имеют смысла, как и деление на ноль: если в решении уравнения появляется бесконечность, то оно теряет смысл. Поэтому, говоря о Вселенной, космологи ориентируются на период, последовавший сразу за сингулярностью, когда поведение Вселенной становится пусть и не совсем объяснимым, но хотя бы более-менее логичным.
* * *
Третий вывод касательно раннего, горячего периода существования Вселенной заключается в том, что CMBR появилось не в сам момент взрыва, а уже после него.
Около 3/4 массы видимой нами Вселенной – это атомы водорода – простейшего химического элемента, состоящего из протона и вращающегося вокруг него электрона. Поскольку электроны и протоны несут в себе равные и противоположные электрические заряды, атом водорода нейтрален.
Атом водорода просто не мог существовать в условиях, когда наша наблюдаемая Вселенная была как минимум в тысячи раз меньше, чем сейчас: температура в ней была слишком высока, в результате чего перегретые электроны отсоединялись бы от протонов. Другими словами, мощная энергия фотонов ионизировала бы атомы водорода, начисто вышибая из них электроны. Среду, получающуюся в результате разлучения электронов и протонов, принято называть плазмой.
Оказавшись в плазме, фотоны не могут далеко уйти, моментально сталкиваясь с электронами и рассеиваясь. Чтобы лучше представить себе этот процесс, вспомните, что происходит, если направить фонарь на плотную стену тумана: луч фонаря рассеивается во всех направлениях, и в результате вы видите лишь то, что находится рядом с вами. В похожую ловушку свет попадал и в ранней Вселенной, когда энергия фотонов ионизировала атомы водорода. Лишь когда температура опустилась приблизительно до 3000 °С, плазма охладилась достаточно, чтобы находящиеся в ней электроны прикрепились к протонам, сформировав нейтральный водород. И поскольку свет в принципе слабо взаимодействует с нейтральными атомами, начиная с этого времени (которое почему-то было названо эпохой рекомбинации, что довольно странно, поскольку никакой рекомбинации не было) свет от Большого взрыва беспрепятственно распространился по всей Вселенной.
Теперь мы знаем, что CMBR в известном нам виде родилось в эпоху рекомбинации[16], то есть, согласно довольно точным современным подсчетам, 380 тыс. лет спустя после Большого взрыва. Поскольку до этих пор Вселенная была непроницаема для света, мы и не можем при помощи обычного света увидеть, что происходило в ней до появления космического микроволнового радиационного фона. Хорошенько запомните термин «рекомбинация».
При открытии CMBR космологов больше всего поразила его однородность: температура, или, другими словами, интенсивность излучения, во всех направлениях была абсолютно одинакова. В целом и сами галактики, если рассматривать их в достаточно крупных масштабах, распределены по Вселенной более или менее равномерно. Объединив все результаты наблюдений, мы можем прийти к тому, что принято называть космологическим принципом: космос оказывается однородным, если рассматривать его в достаточно крупном масштабе.
Однородная природа CMBR подтвердила верность космологического принципа, после чего он занял прочное место в следующей версии стандартной космологической модели – модели, согласно которой Вселенная образовалась
