История всего. 14 миллиардов лет космической эволюции. - Нил Деграсс Тайсон

но вот вам один хороший совет: если над лужайкой у вашего дома в воздухе повиснет инопланетянин и протянет вам щупальце в знак приветствия, не торопитесь протягивать руку в ответ. Сперва киньте ему свой любимый бильярдный шар-восьмерку. Если щупальце и шар взорвутся, инопланетянин, скорее всего, состоит из антивещества. (Не будем останавливаться здесь на том, как он сам и его приятели отреагируют на взрыв, или на том, что будет с вами в результате такого взрыва.) Если же ничего плохого не случится, берите своего нового друга за космическую лапу и ведите его к лидеру человечества.

Глава 3. Да будет свет!

Одного взгляда на ночное небо в ясную, безоблачную погоду достаточно, чтобы убедиться: Вселенная наполнена светом. Ночью мы можем любоваться теми звездами, которые ближе всего расположены к Солнцу, но за ними скрываются сотни миллиардов других, невидимых невооруженному глазу, и все это наши соседки по Млечному Пути. А сколько их в других галактиках? Триллионы и триллионы — это очень трудно себе вообразить, однако современное развитие наших космологических знаний основано не только на наблюдениях в видимом диапазоне спектра. То, что скрыто от наших телескопов, тоже снабжает нас интереснейшей информацией.

Видимый свет занимает небольшую центральную часть всего спектра электромагнитного излучения, который простирается от гамма-лучей с самой короткой длиной волны на одном конце до радиоволн с самой большой длиной волны на другом. Каждый тип электромагнитного излучения состоит из фотонов, частиц без массы, которые движутся в пространстве с одинаковой скоростью, «скоростью света», преодолевая за секунду около 186 000 миль, или 300 000 километров. Фотоны различаются длиной волны, частотой вибрации и энергией, которую несет каждый из них. Однако знаменитая формула Эйнштейна описывает количество энергии, содержащейся в массе частицы, а именно ее у фотонов не имеется. Они несут энергию движения, и это позволяет им воздействовать на материю: например, фотоны видимого света могут вызывать химические изменения в сетчатке человеческого глаза. Гамма-лучи, обладающие наибольшей удельной энергией, представляют опасность для тканей человека; радиоволны, даже самые короткие, могут проходить сквозь стены (и нас), практически не оказывая никакого влияния.

В принципе все фотоны можно называть «светом», если помнить, что полный спектр «света» включает множество разновидностей. Эта терминология служит прекрасным напоминанием о фундаментальном сходстве всех типов фотонов и лежит в основе поэтического описания космоса, гласящего, что Вселенная родилась в яркой вспышке света, заполнившей все пространство, после чего она продолжила испускать свет и будет это делать всегда. С тех пор продолжающееся расширение Вселенной привело к — постепенному увеличению длины волн фотонов и уменьшению их энергии. А 14 миллиардов лет спустя сияние света стало — настолько скромным, что его удалось заметить только после 1964 года.

Сразу после Большого взрыва Вселенная представляла собой пенящийся океан частиц с чрезвычайно высокой энергией, чьи столкновения порождали другие типы частиц и античастиц, которые тут же уничтожали друг друга. Но по мере расширения Вселенной и создания новых пространств энергия частиц уменьшалась, и уже через полчаса рождения эпоха созидания и разрушения вселенских масштабов подошла к концу. К этому времени в космосе сформировалась базовая смесь, состоящая из «обычной» материи, то есть знакомой нам материи, которую можно противопоставить загадочной «темной материи», обсуждаемой в главе 4. Обычная материя существовала лишь в нескольких основных разновидностях: протоны, электроны, ядра гелия (состоящие из двух протонов и двух нейтронов), поток фотонов и поток частиц-«призраков», называемых нейтрино.

За следующие 3800 столетий, пока расширение Вселенной продолжало уменьшать энергию беспокойных частиц, мало что изменилось. Она оставалась непрозрачной для фотонов, которые могли преодолевать лишь крошечные расстояния, прежде чем встречали свободно движущиеся электроны и отскакивали в другом направлении. Даже если бы у вас была возможность увидеть всю Вселенную, вы и тогда бы не смогли этого сделать, поскольку фотоны, направляющиеся к сетчатке вашего глаза, за наносекунды или пикосекунды до того, как достигнуть ее, отражались бы от электронов прямо перед вашим лицом и создавали светящийся туман во всех направлениях. Электроны оставались свободными, потому что удары гигантского количества фотонов мешали их естественному стремлению создавать атомы, выходя на орбиты вокруг протонов или ядер гелия. Все вновь созданные атомы немедленно разрушались, когда в них попадали энергичные фотоны и выбивали из них электроны. Эти постоянные взаимодействия между фотонами и материей сгладили Вселенную, так что каждый кубический сантиметр стал иметь почти одинаковую плотность материи, одинаковое количество фотонов и одинаковую температуру на протяжении всего ее пространства.

Космологи характеризуют море фотонов, подобных тем, что наполняют Вселенную, исходя из понятия описательной температуры. Любой объект с температурой выше абсолютного нуля (скажем прямо, что ни один объект не имеет такой температуры) будет излучать фотоны различной энергии, но в основном с энергией, зависящей от его температуры. Ваше тело, например, имеющее температуру около 310 градусов выше абсолютного нуля, излучает преимущественно инфракрасные фотоны. Ученые определяют эту температуру как 310 К, где К обозначает абсолютную температуру по шкале Кельвина, которая начинается с 0 в точке абсолютного нуля и делится на те же температурные интервалы между градусами, что и шкала Цельсия. Гораздо более горячие объекты — например, звезды — излучают большую часть своих фотонов с энергиями, характерными для видимого света. Температура частиц, обладающих массой, изменяется прямо пропорционально средней кинетической энергии частицы, и наоборот. Пик энергии излучения, производимого частицами, определяется температурой этих частиц. Когда астрофизики говорят, например, что излучение Солнца имеет характерную температуру 6000 К, они подразумевают, что газ, испускающий это излучение, имеет такую же температуру.

Создание нового пространства гораздо легче описать, чем представить. Тем не менее этот процесс продолжается до сих пор, а значит, энергия всех частиц по-прежнему уменьшается. В конце концов, в настоящее время не осталось ни одного фотона, который обладал бы таким количеством энергии, чтобы с ее помощью освободить электроны из атома. Однако фотоны, хоть и лишенные энергии, могут свободно путешествовать по космосу со скоростью света. Начало «эпохи разделения», наступившей через 380 000 лет после Большого взрыва, считается одной из ключевых вех в космической истории, потому что знаменует переход от непрозрачной Вселенной к прозрачной. С тех пор фотоны, наполнявшие (и продолжающие наполнять) космос, беспрепятственно путешествуют по пространству, изменяясь только за счет постоянного уменьшения их энергии, вызванного расширением Вселенной. Появившись как гамма-излучение, фотоны постепенно превратились в ультрафиолетовые, видимые и инфракрасные фотоны, при этом они никогда не переставали быть фотонами, несмотря на то, что длина их волн увеличивается, а энергия, наоборот, уменьшается.

Астрофизики придумали термин «реликтовое излучение», чтобы описать вселенское множество фотонов, вырвавшихся