Основы реальности. 10 фундаментальных принципов устройства Вселенной

По мере остывания с огненным шаром происходят две особенно важные вещи. Во-первых, активность некоторых реакций постепенно снижается, а затем они резко прекращаются. Например, как только температура в шаре становится достаточно низкой, существенно уменьшается взаимодействие фотонов с прочей материей. Проще говоря, небо проясняется, и свет начинает более свободно распространяться с одного конца Вселенной до другого — как сегодня. Конечно, фотоны, которые были частью огненного шара, не исчезают. Они становятся так называемым космическим фоновым излучением — долгоживущим послесвечением, заполняющим Вселенную.

Второй результат — частицы начинают соединяться: кварки образуют протоны и нейтроны, электроны связываются с ядрами атомов и так далее. Материя постепенно обретает ту форму, в которой мы ее знаем.

Это наш первый грубый сценарий космической истории.

ОТКУДА МЫ ЭТО ЗНАЕМ

Прошлое никогда не умирает. Оно даже не прошлое.

Уильям Фолкнер

Космическое прошлое не умирает до конца. Его следы мы можем наблюдать и сегодня. Поскольку скорость света конечна, доходя до нас издалека, он многое способен нам рассказать.

Реконструкция того, что произошло в ранней Вселенной, очень похожа на реконструкцию обстоятельств преступления. Мы изучаем доказательства, формируем гипотезы, ищем подтверждения. Если мы обнаруживаем новые факты, приходится уточнять нашу теорию или изменять ее.

Космическая перепись

Благодаря улучшенным телескопам и камерам, а также более совершенным способам обработки данных астрономы смогли исследовать Вселенную гораздо глубже и полнее, чем Эдвин Хаббл. Он своей работой сделал главным подозреваемым Большой взрыв; позже это обвинение подтвердилось.

Напомню, Хаббл обнаружил, что далекие галактики удаляются от нас, причем их скорость пропорциональна расстоянию до нас. Соответственно, при «обратной перемотке» мы должны предположить Большой взрыв. Это справедливо для ближайших галактик, но не следует ожидать, что сработает и для самых далеких. Скорость, пропорциональная расстоянию, не приведет к тому, что все они схлопнутся одновременно: здесь в игру вступают гравитационные силы, изменяющие движение. Считая Большой взрыв отправной точкой, можно предсказать, как скорость расширения меняется во времени. Это предсказание уточняет гипотезы о том, как красное смещение галактик зависит от их расстояния, которое можно сравнить с наблюдаемым. И это хорошо работает[98].

«Отмотав» расширение Вселенной назад, мы определяем то, что обычно называют ее возрастом. Имеется в виду период, прошедший с тех пор, как она была гораздо более горячей, плотной и однородной, чем сейчас, или — слегка огрубляя — с самого Большого взрыва. В первые моменты после него звезды и галактики существовать не могли. Но можно предположить, когда такие структуры начали формироваться, а также оценить возраст некоторых космических древностей, используя радиоактивность и теорию эволюции звезд (мы это обсудили в главе 2). И эти два разных способа довольно хорошо согласуются.

Короче говоря, Вселенная примерно настолько же стара, насколько стары самые древние объекты в ней. И это закономерно.

Долгоживущее послесвечение

Послесвечение фотонов, возникшее в момент, когда огненный шар только-только охладился и стал прозрачным, впервые обнаружили в 1964 году Арно Пензиас и Роберт Уилсон[99]. Эти фотоны подверглись сильному красному смещению и теперь представляют собой в основном микроволновое излучение — то же, которое используется в СВЧ-печах. Они образуют так называемый космический микроволновый фон, или КМФ («реликтовое излучение»). КМФ — это образ ранней Вселенной, рассеянный по небу в невидимом «свете». Теория Большого взрыва не только предсказывает существование космического микроволнового фона, но и может многое сказать о его составе, в частности об интенсивности излучения на различных частотах. И здесь тоже наблюдения совпадают с предсказаниями.

Реликты

Когда бушующий огненный шар из кварков, антикварков и глюонов остывает, частицы начинают слипаться в протоны и нейтроны, образуя атомные ядра. Модель Большого взрыва позволяет рассчитать их относительное количество. Оказывается, значительная часть нашего потенциального строительного материала — ядра обычного водорода (¹H — одиночный протон) и гелия (⁴He — два протона и два нейтрона). Есть также примеси дейтерия (²H — один протон и один нейтрон, изотоп водорода), трития (³He — два протона и один нейтрон, изотоп гелия) и лития (⁷Li — три протона и четыре нейтрона). Все эти изотопы обнаружились благодаря методам спектроскопии в предсказанных пропорциях в средах, где не происходили процессы их переработки[100]. Все другие виды ядер образовались на гораздо более поздних этапах космической истории. Наблюдать и понимать их возникновение страшно интересно, но их связь с основными принципами не такая прямая.

БУДУЩЕЕ КОСМИЧЕСКОЙ ИСТОРИИ