Пять возрастов Вселенной - Фред Адамс

Как у Вселенной, так и у нашей простой системы, состоящей из планеты и ракеты, имеется важный промежуточный случай, который мы называем плоским. Ракету можно запустить с такой скоростью, которая придаст ей ровно столько энергии, сколько требуется, чтобы оторваться от планеты. По мере дальнейшего движения ракета продолжает замедляться, пока, в конце концов, не остановится совсем, достигнув некоторой точки в пространстве, бесконечно удаленной от рассматриваемой планеты. Безусловно, чтобы достигнуть этой точки, ракете понадобится бесконечное количество времени. Плоская Вселенная ведет себе качественно подобным образом. Все галактики разбегаются друг от друга, но с течением времени скорость их разбегания уменьшается. По мере того как Вселенная становится бесконечно старой, галактики приближаются к статическому состоянию — полной остановке.

Несмотря на то, что данная модель удобна для сравнения открытой, плоской и замкнутой вселенных, одно важное отличие все же остается. Ракета и планета движутся в космическом пространстве так, как мы обычно представляем себе движение. Однако во Вселенной расширяется само пространство, галактики же, на самом деле, покоятся, если принимать во внимание местный масштаб. Ракета и планета образуют классическую систему, тогда как расширяющаяся Вселенная служит примером релятивистского пространства-времени.

Космическое фоновое излучение

Вся Вселенная заполнена морем фонового излучения. Если Вселенная расширяется, значит, раньше она должна была быть меньше, плотнее и горячее. При крайне высоких температурах частицы и излучение существуют в состоянии, напоминающем равновесное. В эти горячие плотные ранние фазы присутствовало большое количество излучения. По мере расширения и остывания Вселенной волны этого излучения растягиваются, его энергия уменьшается, и, в конечном итоге, оно вообще перестает взаимодействовать с веществом. Некоторая часть этого излучения сохраняется и сегодня свободно струится через пространство в виде микроволн. Несмотря на то, что это фоновое излучение уже не играет важной роли, его по-прежнему можно обнаружить. Оно служит несомненным признаком крайне высоких температур отдаленного прошлого.

Это микроволновое фоновое излучение было открыто в 1965 году Арно Пензиасом и Робертом Вильсоном, работавшими в лабораториях корпорации «Белл». Пензиас и Вильсон самым тщательным образом исследовали фоновые источники статического — а другими словами, белого — шума и не ожидали, что небо окажется заполненным низкоэнергетическими микроволнами. Это открытие, сделанное по счастливой случайности, принесло ученым Нобелевскую премию по физике.

Откуда нам известно, что этот слабый микроволновый фон на самом деле является «ископаемым» свидетельством Большого взрыва? Ведь излучение возникает и в ходе множества других физических процессов. Многих людей беспокоит излучение, испускаемое атомными электростанциями. Теле- и радиостанции непрерывно извергают в пространство низкоэнергетическое излучение. А в более крупном масштабе огромными объемами излучения Галактику ежеминутно «накачивают» звезды.

В ранний период космической истории Вселенная была плотной и горячей. В этих условиях, которые значительно отличаются от редких и холодных межгалактических пустот современности, поле излучения, пронизывающее все пространство, достигало состояния термодинамического равновесия. Когда же достигается состояние равновесия, спектр излучения, т. е. количество энергии, излученное при конкретной длине волны, приближается к определенному виду, который носит название спектра абсолютно черного тела. Точно такое же спектральное распределение длин волн испускает любой абсолютно черный объект (т. е. непрозрачный и неотражающий) в состоянии теплового равновесия при определенной температуре. Каждый спектр излучения черного тела соответствует какой-то конкретной температуре. Например, спектр, очень близкий к спектру черного тела, испускает со своей поверхности, имеющей температуру, равную 5800 градусов Кельвина, Солнце. Фоновое излучение Вселенной тоже имеет определенную температуру. По мере того как Вселенная расширяется и остывает, эта характеристическая температура уменьшается, но распределение излучения сохраняет свой особый вид — спектр абсолютно черного тела.

Космическое фоновое излучение, согласно современным измерениям, имеет температуру, равную 2,73 градусам Кельвина. Более того, спектр этого излучения совпадает со спектром абсолютно черного тела почти полностью — с точностью до одной десятитысячной. Наиболее точные измерения этого спектра произвел в 1980-х годах спутник СОВЕ (COsmic Background Explorer[3]) (см. рисунок 4). Этот результат служит весьма впечатляющим свидетельством в пользу теории Большого взрыва.

Рис. 4. Спутник СОВЕ измерил спектр космического фонового излучения; каждый квадратик на данном рисунке соответствует отдельному измерению. Три приведенные кривые показывают зависимость интенсивности излучения черного тела от длины волны для трех различных температур. Обратите внимание, насколько близко измерения, выполненные СОВЕ, совпадают с кривой, изображающей излучение абсолютно черного тела при 2,73 градусах. Теория Большого взрыва предсказывает именно такой вид этой кривой

Другое свойство наблюдаемого фонового излучения запечатлелось в пламенном прошлом ранней Вселенной. Космическое фоновое излучение выглядит одинаково во всех направлениях. Почти. Как описывалось выше, поле излучения имеет вид спектра черного тела и может быть охарактеризовано одним значением температуры. Причем эта температура во всех частях неба почти одинакова, с чрезвычайно высокой степенью точности. Этот результат согласуется с космологическим принципом, который гласит, что Вселенная однородна и изотропна.

И все же крошечные колебания температуры космического фонового излучения были зарегистрированы. Амплитуды этих колебаний составляют всего порядка тридцати долей на миллион, и впервые спутник СОВЕ зарегистрировал их в 1992 году. Эти крошечные колебания имеют огромные последствия. Фоновое излучение в последний раз взаимодействовало с веществом, когда Вселенной было 300000 лет. Этот четко определенный поворотный момент, именуемый рекомбинацией, соответствует времени, когда температура Вселенной снизилась настолько, что электроны и ядра смогли объединиться в атомы. (С позиций логики, следовало бы говорить не о «рекомбинации», а о «первой комбинации» (первом объединении), потому что до этого момента электроны и ядра существовали только по отдельности.) До рекомбинации излучение и вещество во Вселенной сильно взаимодействовали друг с другом и были тесно связаны. Однако после появления атомов Вселенная внезапно стала прозрачной для фонового излучения. Колебания, наблюдаемые в температуре современного космического фона, являются отпечатком возмущений плотности вещества, которые имели место, когда излучение и вещество в последний раз вступили в контакт. Поскольку возмущения плотности вещества в конечном итоге разрослись в галактики и их скопления, колебания в микроволновом фоне характеризуют начальные условия образования галактик и крупномасштабных структур.

Кварки и антикварки

В первую микросекунду истории космоса материальное содержимое Вселенной существовало в виде кварков и их антиматериальных двойников, называемых антикварками. Эти, в некотором роде, таинственные частицы образуют более знакомые нам протоны и нейтроны, составляющие большую часть вещества, известного нам сегодня. Однако при высоких температурах вещество предпочитает существовать в виде свободных кварков, а не таких больших частиц, как протоны. Несмотря на то, что большинству первичных кварков суждено аннигилировать, некоторая их доля выживает, чтобы в конечном итоге образовать вещество современной Вселенной. Но задолго до появления протонов и нейтронов произошли микроскопические события огромной важности, которые сформировали будущее материальное содержание Вселенной.

Сегодня наша Вселенная состоит, в основном, из вещества, а не из антивещества. Если вещество и антивещество поместить достаточно близко друг к другу, произойдет их взаимная аннигиляция, после которой останется сильная вспышка излучения. В ходе этого процесса, в сущности, вся масса преобразуется в энергию. Однако существуя на своей планете, мы никогда не наблюдаем такую аннигиляцию. Почему? Потому что Земля почти полностью состоит из одного только вещества, а антивещества в ней нет. То, что миссии NASA к Луне, а потом к Марсу, не завершились эффектными вспышками излучения, совершенно определенно указывает на то, что наша Солнечная система также состоит из вещества и практически не содержит антивещества. Наблюдая более крупные масштабы, типа Галактики и даже всей Вселенной, мы также приходим к выводу о присутствии вещества и выраженном отсутствии антивещества. По приблизительным оценкам, наша Вселенная содержит около 1078 протонов и нейтронов с относительно незначительной примесью антипротонов и других антиматериальных частиц.