Большой взрыв

Зарождение идеи

Хаббл показал, что Вселенная расширяется. Между тем, Вселенная, сегодня расширяющаяся, вчера была меньше, поэтому естественно предположить, что в далеком прошлом она должна была быть очень маленькой. Это предположение полностью согласуется с более ранними работами Александра Фридмана и Жоржа Леметра, выполненными в 1920-х годах. Для подтверждения идеи о том, что со временем Вселенная расширялась, начиная с первоначального компактного состояния, они обратились к уравнениям общей теории относительности Эйнштейна.

Используя скорость, с которой Вселенная увеличивается, – константу Хаббла – мы можем произвести обратные вычисления и узнать, когда это расширение началось. Согласно современным данным, это произошло 13,8 миллиарда лет назад. Проследив процесс расширения в обратном направлении, можно было бы увидеть, как все становится ближе и ближе друг к другу. Если вы следуете общей теории относительности буквально, то все пространство(-время) заканчивается концентрацией в сингулярности – в той же самой бесконечно малой, бесконечно плотной точке, которая была предсказана этой теорией и находится в центре черной дыры. Идеи и пространства, и времени полностью разрушаются в этой сингулярности.

Все эти гипотезы дают основание предполагать, что пространство и время начали свое существование около 13,8 миллиарда лет назад, когда невообразимо маленькая горячая точка взорвалась, расширяясь наружу. Это событие астрономы назвали Большим взрывом. С тех пор возникшая в тот момент Вселенная непрерывно расширяется.

Стационарная модель Вселенной

Термин «Большой взрыв» впервые использовал английский астроном Фред Хойл во время интервью на радио BBC в 1949 году. Он был главным оппонентом и критиком идеи Большого взрыва, предпочитая вместо нее стационарную модель – идею того, что Вселенная существовала всегда и по большей части в современном ее виде. Полностью противореча идее Большого взрыва, модель стационарной Вселенной утверждает, что время и пространство не имеют ни начала, ни конца. Основы этой теории сформулированы в 1948 году Хойлом, Германом Бонди и Томасом Голдом.

Ученые находились в поисках альтернативного сценария, так как в теории Большого взрыва существовала большая проблема: согласно ей Вселенная была моложе, чем Земля. Астрономы чрезмерно преувеличили константу Хаббла – меру того, насколько быстро расширяется Вселенная, – так как они не имели возможности точно измерить расстояние до галактик. Полагая, что Вселенная расширяется значительно быстрее, чем это было на самом деле, они чрезмерно недооценили ее возраст. Первоначальная оценка по данным Хаббла составляла 2 миллиарда лет. Но геологи уже обнаружили каменные породы, возраст которых равнялся 3 миллиардам лет.

Стационарная модель объясняет наблюдаемое расширение Вселенной тем, что по мере ее расширения создается новое вещество для того, чтобы заполнить возникающие просветы. Если это соответствует действительности, тогда общая плотность всей Вселенной должна оставаться стабильной на протяжении всего времени. Следовательно, наряду со старыми будут появляться и все новые звезды и галактики. Стационарная вселенная, где друг рядом с другом соседствует множество звезд и галактик, должна представлять собой смешение разных возрастов.

Таким образом, в 1940-х годах, ровно так же, как это уже было не раз в истории науки, наблюдалось противостояние двух взаимоисключающих теорий. Единственным способом разрешения спора между ними была попытка предсказать, какой окажется Вселенная в случае, если та или иная теория окажется верной. Так что вам и карты в руки: выходите и ищите то, что вы обещали найти, а если не найдете, то это будет за ваш счет.

Ядерный синтез

У стационарной модели нет необходимости объяснять, каким образом Вселенная достигла того состояния, в котором она находится в настоящий момент. Она всегда находилась именно в этом состоянии. Трудности теории Большого взрыва состоят в том, что она заявляет не только то, что какой-то момент времени был началом пространства и времени, но и то, что Вселенная в начале своего движения к нынешнему состоянию была фундаментально другой. Если вы хотите убедить нас в том, что теория Большого взрыва должна быть признана верной, вам необходимо объяснить, каким образом, начав с крошечной горячей точки, мы пришли к огромной вселенной, заполненной мириадами звезд и галактик.

Если сегодняшняя Вселенная когда-то была меньше атома, тогда температуры в ней должны были быть невероятно высокими – до 10 миллиардов градусов по Цельсию всего через секунду после Большого взрыва. Астрономы могут воспользоваться тем, что мы знаем об элементарных частицах сегодня и что могут сказать физики о том, что произошло бы при таких экстремальных условиях. Именно это пытаются сделать ускорители элементарных частиц, такие как Большой адронный коллайдер – воссоздать среду, возникшую сразу после Большого взрыва.

Первоначальная младенческая Вселенная была заполнена только энергией. Однако в первую секунду ее существования температуры были достаточно высоки, чтобы некоторая часть этой энергии превратилась в вещество. Разные формы протонов, нейтронов и электронов стали строительными блоками атомов. Между тем, сразу после продолжавшегося всего секунду расширения, Вселенная немного охладилась, поэтому новые частицы уже не могли образовываться прежним путем.

Тогда часть протонов и нейтронов стали соединяться друг с другом, образуя частицы, называемые дейтронами (форма ядра водорода). Когда Вселенная достигла возраста в три минуты, она была достаточно горячей, чтобы начались процессы слияния ядер, но при этом достаточно холодной, чтобы образовавшиеся частицы не были разорваны на части. Некоторые дейтроны и протоны вступали в реакцию друг с другом, образуя ядра атомов гелия – таким образом, здесь протекал тот же процесс, который мы наблюдаем в центре Солнца и в результате которого водород превращается в гелий. Астрономы назвали этот процесс нуклеосинтезом, или ядерным синтезом.

К тому времени, когда Вселенной исполнилось 20 минут, она охладилась еще больше, и процессы слияния элементарных частицы остановились. Произведенные расчеты дают основание предполагать, что четверть водорода всей Вселенной могла превратиться в гелий за 17 минут этого взрывного слияния частиц.

Фундаментальные предположения и предвидения теории Большого взрыва состоят в следующем. Когда процессы слияния частиц прекратились, новых путей изменения того, из чего Вселенная состояла, еще не существовало. По крайней мере до того времени, пока через миллионы лет не появились звезды и не создали основу для более тяжелых элементов. Таким образом, космос сегодня должен в основном состоять на 75 % из водорода и на 25 % – из гелия. Именно это астрономы находят, когда они смотрят на сегодняшнюю Вселенную – да здравствует теория Большого взрыва.

Куда делась вся антиматерия?

Процесс преобразования энергии в частицы называется процессом образования электрон-позитронной пары. Из его названия следует, что в результате этого процесса всегда образуется две частицы – одно вещество и одно антивещество. Частицы антивещества являются зеркальными отражениями обычных частиц. Они обладают всеми те же свойствами, что и частицы вещество, но имеют противоположный электрический заряд. Например, позитрон – это античастица отрицательно заряженного электрона.

Пары частица-античастица могут образовываться до тех пор, пока энергия достаточно высока, чтобы компенсировать массы обеих частиц (согласно знаменитому уравнению Эйнштейна E = mc²). Именно по этой причине теория Большого взрыва предполагает остановку производства пар в тот момент, когда Вселенной исполнилось всего одна секунда. Будучи все еще исключительно горячей, она все же охладилась настолько существенно, что доступная энергия уже не могла компенсировать образование массы новых пар частица-аничастица.

Процессом, противоположным образованию пар частиц, является процесс аннигиляции, при котором частицы и их античастицы сталкиваются и превращаются обратно в энергию. Поскольку продукция пары должна создавать равное количество вещества и антивещества, за 13,8 миллиарда лет с момента Большого взрыва все вещество должно было аннигилироваться с антивеществом, оставив Вселенную, вновь заполненную только энергией.

Но этого не произошло. Сегодня во Вселенной имеется непомерное количество вещества – это и звезды, и планеты, и люди, и много чего еще. Астрономы убеждены, что на каждый миллиард образованных изначально частиц антивещества возникли миллиард плюс одна частица вещества. Все, что вы видите вокруг себя, возникло из крошечного излишка частиц вещества, которые не подверглись процессу аннигиляции. Почему во Вселенной произошло это небольшое отклонение соотношения вещества и антивещества, остается одной из самых больших загадок в физике.

Рекомбинация

Согласно теории Большого взрыва, процесс слияния частиц приостановился после того, как 25 % всего водорода во Вселенной превратилось в гелий. К этому моменту Вселенная просуществовала всего 20 минут. Но затем ничего существенного не происходило в течение очень долгого времени: 380 тысяч лет. Вселенная представляла собой море энергии, электронов, протонов (ядер водорода) и гелия, которое продолжало расширяться и охлаждаться.

Как мы уже видели в главе 5, смотреть на объекты, находящиеся в далекой Вселенной, – это все равно что смотреть в прошлое. Но когда мы пытаемся, оглянувшись назад, увидеть то, что находится на расстоянии, эквивалентном первым 380 тысячам лет Вселенной, наш взгляд не способен достичь цели. В те времена море частиц было настолько плотным, что никакой свет просто не мог излучаться. Это как смотреть сквозь густой туман.

Вместе с тем, согласно теории Большого взрыва, Вселенная в конце концов расширилась и охладилась до такой степени, что протоны и ядра гелия уже могли захватывать пролетающие мимо электроны и впервые могли образовывать атомы. Все это привело к высвобождению значительного пространства и неожиданно позволило свету вырваться наружу. Физики называют это событие рекомбинацией. Однако это имя малоподходящее, потому что электроны и ядра никогда до этого не объединялись.

Если Большой взрыв все-таки является реальным фактом истории Вселенной, свет, высвободившийся в момент рекомбинации, должен был залить все пространство Вселенной. За последние 13,8 миллиарда лет он, несомненно, потерял большое количество своей энергии, тем не менее продолжал оставаться там. Наличие этого реликтового излучения является ключевым предвидением и следствием теории Большого взрыва, потому что этого излучения просто не было бы, если бы наша Вселенная соответствовала стационарной модели. Поэтому решение вопроса о том, существует ли такое излучение стал ключевым моментом, определяющим выбор между двумя альтернативными теориями.

Реликтовое микроволновое излучение

В 1964 году американские астрономы Арно Пензиас и Роберт Уилсон работали c рупорной антенной в Холмделе в Нью-Джерси. Эта антенна была предназначена для приема радиоволн, отраженных от ряда самых первых спутников связи, которые должны быть запущены в космос. Поступающие сигналы оказались невероятно слабыми, поэтому Пензиасу и Уилсону предстояло настроить антенну таким образом, чтобы устранить любые более громкие фоновые шумы, включая и трансляции местных радиостанций.

Но несмотря на то, что они устранили все посторонние сигналы, о которых могли подумать, антенна продолжала улавливать какие-то тихие шумы. Они поступали из всех концов космического пространства и были слышны 24 часа в сутки. Сначала они подумали, что это всего лишь приветы от голубей, устроившихся на рупоре. Они назвали их «белым диэлектрическим материалом». Голубей прогнали, а последствия их проделок были тщательно отмыты, но шум никуда не делся.

Тем временем ниже по дороге, в Принстонском университете, команда под руководством Роберта Дикке занималась поиском реликтового излучения, которое, как было предсказано, осталось после рекомбинации, произошедшей через 380 тысяч лет после Большого взрыва. Услышав о радиошумах, зафиксированных Пензиасом и Уилсоном, Дикке произнес ставшие знаменитыми слова: «Парни, нас опередили». Сегодня мы называем это излучение реликтовым микроволновым излучением (РМИ). Его обнаружили совершенно случайно, но это был удар, от которого стационарная модель так и не оправилась. РМИ стало неопровержимым, просто железобетонным доказательством того, что Вселенная началась с маленькой горячей точки.

Ко времени высвобождения РМИ в результате расширения, Вселенная охладилась примерно до 3000 К (2727 градусов по Цельсию). Это равно температуре на поверхности красной карликовой звезды, и отсюда следует, что первоначальный свет, высвобожденный в результате рекомбинации, вероятно, имел красноватый оттенок. Между тем, расширение Вселенной, продолжавшееся более 13 миллиардов лет, привело к удлинению этого света, из-за чего длина волны изменилась до уровня, недоступного человеческому глазу. Поэтому сегодня мы улавливаем его в микроволновой и радиоволной части спектра. Его температура в настоящее время составляет всего 2,7 К (–270 градусов по Цельсию).

Факт существования РМИ является неопровержимым доказательством того, что Вселенная началась с маленькой горячей точки

Снимок 1998–1999 годов аналеммы, изображенной на стекле витрины офиса Лабораторий Белла, Мюррей Хилл, Нью Джерси; статья Дж. Фисберна в Английской «Википедии».

Для того чтобы уловить послесвечение Большого взрыва, вам не нужна массивная рупорная антенна. Переключая каналы на старом аналогом телевизоре, вы слышите шипение и видите скачущие черные и белые полосы. Точно так же можно услышать треск и хруст при переходе между станциями на аналоговом радиоприемнике. Один процент от этих помех связан с РМИ. Вы ловите самый старый свет во Вселенной, эхо Большого взрыва, смещенное к более низким частотам в результате ее расширения.

Квазары

За год до открытия реликтового микроволнового излучения Мартен Шмидт обнаружил первый квазар. Эти космические объекты представляют собой экстремально яркие ядра галактик. С того времени астрономы обнаружили в общей сложности более 200 тысяч квазаров. Почти все они, по-видимому, находятся очень далеко от Земли.

Факт того, что ранняя Вселенная включала в себя множество квазаров, тогда как в местной (современной) Вселенной их не так много, может означать одно: космос со временем эволюционировал. А это значит, что Вселенная не может находиться в стационарном состоянии. Мы также не обнаружили ни одной звезды, возраст которой превышает 13,8 миллиарда лет – времени, когда предположительно произошел Большой взрыв. Таким образом, квазары представляют собой один из четырех столпов, на которых держится теория Большого взрыва.

Четыре столпа теории Большого взрыва:

– расширение Вселенной;

– нуклеосинтез, или ядерный синтез (75 % водорода / 25 % гелия);

– реликтовое микроволновое излучение;

– распределение квазаров.

ГДЕ НАХОДИТСЯ ЦЕНТР ВСЕЛЕННОЙ?
Это действительно самый распространенный вопрос. Люди часто думают, что мы должны находиться в центре, потому что мы видим, как Галактика удаляется от нас во все стороны. Но люди в любой другой галактике сказали бы то же самое. Ранее мы сравнивали галактики с изюминками в расширяющемся тесте. Поставьте себя на место любой изюминки, и вы увидите, как все остальные изюминки удаляются от вас. Но они не могут все без исключения одновременно находиться в центре.

Астрономов часто просят показать то место, где произошел Большой взрыв, но это просто невозможно. Вероятно, из-за того, что Большой взрыв часто сравнивают с обычным взрывом, люди воображают, что это детонировала именно бомба. Если бомба взрывается в комнате, можно будет использовать осколки для того, чтобы определить, где именно в комнате она детонировала. Разница состоит в том, что в результате Большого взрыва образовалось космическое пространство. Представьте, что взорвавшаяся бомба создала комнату, а затем задайте вопрос, где в комнате она взорвалась.

Возьмите любую точку во Вселенной и представьте себе, где она находилась во время большого взрыва. Она была частью этого взрыва. Вот почему астрономы говорят, что Большой взрыв произошел одновременно и везде.

Назад: Глава 6 Вселенная

Дальше: Проблемы Большого взрыва