Читать книгу "Вселенная на ладони - Колин Стюарт"

Вы могли бы даже сказать, что «изюмины в расширяющемся тесте, как кажется, перемещаются на один сантиметр в час на каждый сантиметр первоначального расстояния между ними». Это ровно то, что вытекает из константы Хаббла: галактики перемещаются на 21 километр каждую секунду на каждый миллион световых лет исходного расстояния между ними. Вселенная расширяется точно так же, как расширяется тесто.

Галактики не отдаляются от нас из-за того, что они движутся в направлении от нас сквозь космическое пространство. В конце концов, изюминки тоже не перемещаются сквозь тесто. Как раз наоборот, расширяется разрыв между галактиками по мере того, как расширяется пространство между ними. Чем больше расстояние между нами и далекими галактиками, тем больше пространства для их расширения и тем быстрее, как нам будет казаться, они станут удаляться от нас.

Глава 6

Вселенная

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.