За пределами нашей галактики: До галактик

А что было в те еще более ранние эры, перед тем как начали формироваться галактики? Лучшее подтверждение тому, что сначала все было в сверхсжатом состоянии, – это то, что межгалактическое пространство не есть абсолютно холодным. Тепло, которое в нем присутствует, – «остаточное свечение творения» – обнаруживается как микроволновое излучение, то самое, что подогревает блюда в микроволновке, но значительно не сильный. Первое обнаружение космического фонового микроволнового излучения (В русскоязычной литературе употребляется термин «реликтовое излучение», который мы и будем применять в данной книге. – Прим. ред.) в 1965 г. было самым серьёзным событием в космологии со времен открытия расширения Вселенной. Более поздние измерения подтвердили, что реликтовое излучение имело отличительную линии: его интенсивность на разных длинах волн, представленная в виде графика, соответствует спектру теплового равновесного излучения того, что физики именуют «абсолютно тёмным телом». Так выглядит температурная кривая, в то время, когда излучение приходит в равновесие с окружающей средой (как это происходит глубоко в звезды либо плавильного горна, который очень сильно нагревали в течение долгого времени). Конкретно этого возможно ожидать, в случае, если реликтовое излучение действительно есть остатками «огненного шара», в то время, когда вся Вселенная была раскаленной, плотной и непроницаемой.

К настоящему времени самые правильные измерения были проведены в 1990-е гг. с помощью спутника NASA COBE (С того времени ответственные наблюдения были сделаны на спутнике WMAP и ряде наземных установок. На сегодня самые полные и детальные данные взяты спутником Planck. – Прим. авт.). В то время, когда экспериментаторы воображают свои результаты, они в большинстве случаев изображают на графике «планки погрешностей», каковые показывают на степень неуверенности в итогах, но для информации, взятой COBE, таких планок не могло быть, в силу того, что они были бы меньше, чем толщина кривой. Это действительно историческое измерение с точностью до одной десятитысячной убедительно подтвердило, что все в нашей Вселенной – а также все вещество, из которого состоят галактики, – когда-то было горячим газом с температурой выше, чем в ядре Солнца.

Сейчас средняя температура Вселенной образовывает 2,728 градуса выше безотносительного нуля. Это, само собой разумеется, весьма холодно (около –270 °С), но существует четкое познание того, по какой причине межгалактическое пространство так же, как и прежде содержит довольно много тепла. Любой м3 вмещает 412 млн квантов излучения либо фотонов. Для сравнения: средняя плотность атомов во Вселенной образовывает приблизительно 0,2 на 1 м3. Это последнее число известно нам с меньшей точностью, потому, что мы не уверены, сколько атомов возможно в рассеянном газе либо чёрной материи, но, по всей видимости, на любой атом во Вселенной приходится около 2 млрд фотонов. На протяжении расширения Вселенной падает и плотность атомов, и плотность фотонов. Но падает она равномерно, исходя из этого соотношение атомов и фотонов остается прошлым. Потому, что отношение «тепла к материи» так громадно, о первоначальной Вселенной довольно часто говорят как о тёплом Громадном взрыве.

Первичные тёплые фазы длились недолго. Температура превышала миллиард градусов всего пара мин.. Приблизительно через полмиллиона лет она уменьшилась до 3000 °C – Вселенная стала чуть прохладнее поверхности Солнца, что явилось серьёзным этапом процесса расширения. Перед этим все было таким горячим, что электроны были оторваны от ядер и двигались свободно. По мере понижения температуры они достаточно замедлились, дабы присоединиться к ядрам; так сформировались нейтральные атомы. Эти атомы не могли рассеивать тепло так действенно, как свободные электроны на более ранних и более тёплых стадиях. В течение последующего периода материя стала прозрачной; «туман» рассеялся. На протяжении расширения температура, со своей стороны, падала обратно пропорционально повышению масштаба Вселенной (повышению длины штырей в решетке Эшера). Реликтовое излучение, регистрируемое COBE, есть следом той эры, в то время, когда наша Вселенная была сжата более чем в тысячу раз если сравнивать с сегодняшним днем – при температуре 3000 °K вместо сегодняшних 2,7 °K и задолго перед тем, как появились галактики. Интенсивное излучение первоначального шара не смотря на то, что и ослабело из-за расширения, но все еще наполняло всю Вселенную.

Довольно часто применяемая аналогия со взрывом вводит в заблуждение, потому, что формирует представление о том, что Большой взрыв случился в каком-то особенном месте. Но, как мы можем делать выводы, любой наблюдатель, находись он на Земле, в Туманности Андромеды либо в самых далеких от нас галактиках, заметил бы одну и ту же модель расширения. Быть может, когда-то Вселенная и была сжата в одну-единственную точку, но у каждого имеется равное право заявлять о том, что все началось конкретно с данной точки. Мы не можем соотнести источник расширения с каким-либо определенным местом в нынешней Вселенной.

Кроме этого неверно думать, что в первоначальной Вселенной расширение происходило из-за большого давления. Взрыв вызывается нарушением равновесия давления; бомбы на Земле и сверхновые в космосе взрываются, в силу того, что резкий перепад давления вышвыривает осколки в область низкого давления. Но в первоначальной Вселенной давление везде было однообразным: не было никакой границы либо внешней области. Первичный газ охладился и рассеялся, как это происходит с содержимым растягивающейся коробки. Дополнительное притяжение, появившееся из-за давления и энергии тепла, в действительности замедляло расширение.

Такая картина достаточно логична, но остаются еще кое-какие тайны. В первую очередь (в случае, если не забывать о разнице со взрывом), она не дает объяснения тому, по какой причине по большому счету происходит расширение. Стандартная теория Большого взрыва без доказательств, что все началось в тот момент, в то время, когда был достигнут достаточный для расширения уровень энергии. Ответ на вопрос, по какой причине расширение по большому счету происходит, должен прятаться на еще более ранних стадиях, относительно которых у нас нет таких же прямых доказательств, как нет и уверенного понимания физических процессов.

Наименование «Большой взрыв» было придумано в 1950-е гг. известным физиком-теоретиком из Кембриджа Фредом Хойлом ( в связи с открытием происхождения углерода) как насмешливое описание теории, которая ему не нравилась. Сам Хойл предпочитал теорию «стационарного состояния» Вселенной, в которой по мере расширения, дабы заполнить появляющиеся пустоты, неизменно создаются новые атомы и новые галактики и, так, в среднем параметры ни при каких обстоятельствах не изменяются. В то время в любом случае никаких доказательств быть не имело возможности, и космология была областью кабинетных размышлений, в силу того, что наблюдения не продвинулись достаточно на большом растоянии, дабы эволюция Вселенной смогла себя показать. Но теория стационарной Вселенной «вышла из моды», когда появились свидетельства того, что в прошлом Вселенная действительно была другой. Не смотря на то, что и стало известно, что стационарная теория неверна, но она была «хорошей» теорией с точки зрения весьма четких и экспериментально контролируемых предсказаний. Она стала прекрасным стимулом для науки, побудив наблюдателей довести свои устройства до предела возможностей. (В этом смысле «плохой» есть та теория, которая так гибка, что может приспособиться к любым новым данным. Выдающийся – и весьма самонадеянный – физик Вольфганг Паули сказал о аналогичных расплывчатых идеях: «Это кроме того не есть ложным!») Сам Хойл так ни при каких обстоятельствах абсолютно и не принял теорию Большого взрыва, не смотря на то, что и придумал компромиссную модель, которую коллеги-скептики именовали «Стационарным взрывом».