Вселенная. Руководство по эксплуатации - Бломквист Джефф

В 1964 году Арно Пензиас и Роберт Уилсон работали в лабораториях Белла над разработкой первых образцов спутниковой связи. Включив свои приемники, они зарегистрировали интерференцию — но поступивший сигнал БЫЛ НЕ ИЗ НАШЕГО МИРА. Радиоприемник зафиксировал постоянный шум, который не исчезал, куда бы ни направляли антенну. Внеземной сигнал, который услышали исследователи, и был микроволновым излучением ранней Вселенной.

В старые времена (лет десять назад) вы бы могли засечь это излучение безо всякого специального оборудования. Когда большинство телевизоров получали сигнал через радиоволны; примерно 1% шума на каждом канале, где не было сигнала, приходился на долю первобытного излучения. Теперь, когда все переведено в цифровой формат, повторить опыт Пензиаса и Уилсона при помощи своего телевизора уже невозможно. Да и незачем. Они свою Нобелевку уже получили.

Фоновое излучение имеет практически постоянную температуру, какой участок неба ни возьми. Практически, но не совсем. Если сравнивать температуру малюсеньких участков неба, излучение окажется чуть теплее или чуть холоднее — пусть и в пределах нескольких миллионных долей градуса.

В 2001 году НАСА запустило Уилкинсоновский датчик микроволновой анизотропии (WMAP) с целью исследовать мозаику «горячих» и «холодных» участков во Вселенной, и ниже мы приводим полученную карту. Она похожа на обычную карту Земли, которую вы, наверное, видели в атласе, с тем исключением, что вы стоите не на поверхности глобуса — представьте себе, что вы стоите в середине, а карта показывает, как выглядит небо.

Уйлкинсоновский датчик микроволновой анизотропии (ЛГМАР): результаты пяти лет работы. Хиншоу и коллеги, 2009

Перед вами — детская фотография Вселенной. Вы думали, нет ничего хуже капризного ребеночка в фотоателье? Так вот эту фотографию делали пять лет и потратили на нее около ста сорока миллионов долларов. В отличие от детишек, Вселенная растет отнюдь не на глазах,— тогда зачем же вообще было делать это фото?

Взгляните на светлые и темные крапинки. Это области, где фоновое излучение чуть холоднее или чуть теплее среднего. Наше «чуть», повторяем,— это различие в одну стотысячную, а то и миллионную долю. Однако мы завели этот разговор не из праздного интереса. Давным-давно, назаре Вселенной, крошечные колебания температуры соответствовали крошечным колебаниям плотности атомов и темной материи. Чуть более плотные участки стали зародышами галактик, о которых мы говорили ранее.

Присмотреться к фоновому излучению стоит и еще по одной причине. Чем дальше мы заглядываем в прошлое, тем меньше становится Вселенная. Это значит, все на свете — фотоны, атомы, темная материя — будет сползаться все ближе и ближе друг к другу, а Вселенная в целом станет все более и более насыщена энергией. Вклад фотонов становится особенно важным, именно когда мы заглядываем в прошлое, поскольку, когда Вселенная становится меньше, длины волн отдельных фотонов тоже уменьшаются. Это мы видели в главе 6, когда говорили о «красном сдвиге», происходящем из-за расширения Вселенной. Коротковолновой свет означает, что раньше у каждого фотона было больше энергии. Получается, что раньше не только сахар был слаще и небо голубее, но и излучение плотнее и фотоны энергичнее.

Главный вывод из всего этого таков: чем дальше мы заглядываем в прошлое, тем горячее становится Вселенная и тем выше относительный вклад фотонов в общую энергетическую плотность. Поэтому, например, когда размер Вселенной был всего 1% от нынешнего, то есть примерно через 17 миллионов лет после Большого взрыва, во всей Вселенной царила комнатная температура. А до этого… здесь начинается самое интересное.

I. Почему мы не можем проследить все развитие Вселенной до самого Большого взрыва?Комбинация (I = 380 000 лет)

Давным-давно, в главе 4, мы говорили о частях атомов и упоминали о том, что водород, самый простой атом, сделан из протона, окруженного электронным облаком. Водород — не только самый простой, но и самый распространенный элемент. Сегодня, как и в ранней Вселенной, водород составляет около 93% всех атомов. При комнатной температуре водород без электрона не встречается. Однако при высоких температурах, например, внутри Солнца или в ранней Вселенной, атомы подвергались постоянной бомбардировке крайне высокоэнергичными фотонами.

Представьте себе, что капитан Кровавая Борода — это протон. Ни один уважающий себя пират не сочтет свой костюм завершенным без попугая на плече, так вот, пусть попугай — это электрон. Ранняя Вселенная очень похожа на напряженную битву в открытом море. Мимо Кровавой Бороды то и дело свистят пушечные ядра (фотоны), и то и дело его попугая — бац! — сшибают с плеча. Не волнуйтесь, все обойдется, они оба будут целы и невредимы. Разумеется, пираты и попугаи неразлучны,

словно булка с колбасой» так что не пройдет и нескольких минут, как на плечо Кровавой Бороде спорхнет другой попугай.

Между тем во время сражения по всему полю битвы летают попугаи и ядра, попугаи и ядра. Более того, самим кораблям ничего не угрожает, поскольку ядра, как правило, сшибают летящего попугая, не успев натворить беды. Но всему приходит конец, даже пиратским сражениям. Ядра перестают летать, а попугаи, устав от бесконечных полетов, присаживаются на плечи — по птице на пирата, как и предназначено природой.

Вот как все было в настоящей Вселенной. Примерно через 380 тысяч лет после Большого взрыва во Вселенной царила страшная жара — 3000 градусов по Цельсию,—а сама Вселенная была всего в 1/1200  своего нынешнего размера. Мы выбираем именно этот момент и договоримся называть его «комбинацией»1 , поскольку именно в этот миг все изменилось.

До комбинации во Вселенной было так жарко, что практически не существовало нейтральных атомов водорода — по Вселенной носились лишь отдельные протоны и электроны, словно смешанный рой ядер и попугаев. Все детали были в наличии, но шныряли туда-сюда, как безумные. Фотоны постоянно сталкивались, абсорбировались и снова испускались. При всех этих столкновениях они не могли долго лететь в одном направлении — их быстро отбрасывало в другую сторону. Даже если бы вы, например, жили спустя 350 тысяч лет после Большого взрыва, то страдали бы близорукостью, поскольку для того, чтобы видеть, нужно, чтобы свет прошел по прямой от предмета до вашего глаза[94].

А после комбинации Вселенная остыла до такой степени, когда фотоны уже не могли отрывать электроны от их протонов, и быстро-быстро начал образовываться обычный нейтральный водород. Все углы и закоулки внезапно оказались набиты нейтральным веществом, а фотонам стало не с кем играть. Фотоны любят заряженные частицы, а нейтральные — не очень. И теперь фотоны стали летать вечно по пустой-пустой Вселенной, пока некоторые из них, особенно везучие, не попали 13,7 миллиарда лет спустя в радиоприемник на Земле или на Тентакулюсе VII.

Поскольку «заглянуть» во времена до комбинации мы не в состоянии, то о самой ранней Вселенной мы можем судить лишь по остаточному излучению, которое летает повсюду, и по всему, что мы видим в звездах, галактиках и скоплениях вокруг нас в наши дни. Как выясняется, если присовокупить к этим наблюдениям кое-какие физические соображения, кусочки мозаики отлично складываются в цельную картинку.

II. Разве Вселенная не наполнена (до половины) антиматерией?

Говорят, нет ничего хуже полузнания, но в этом случае его как раз хватает. Напомним вам два важных факта, а затем выжмем из них все возможное , чтобы описать происходившее в ранней Вселенной. Итак, напоминаем:

1.  Е = mс2 .

2.    Если столкнуть частицу с античастицей, они обе будут уничтожены и превратятся в высокоэнергичные фотоны. Сколько именно у них будет энергии? См. выше факт N 1.

Если электрон и позитрон (или любая частица с античастицей) способны сталкиваться друг с другом и превратиться в свет, обратное тоже может случиться — фотоны, сталкиваясь друг с другом, создают позитрон и электрон. Или, если уж на то пошло, могли бы создать протон и антипротон. Только поди их поймай.