Читать книгу "Вселенная на ладони - Колин Стюарт"

К тому времени, когда Вселенной исполнилось 20 минут, она охладилась еще больше, и процессы слияния элементарных частицы остановились. Произведенные расчеты дают основание предполагать, что четверть водорода всей Вселенной могла превратиться в гелий за 17 минут этого взрывного слияния частиц.

Фундаментальные предположения и предвидения теории Большого взрыва состоят в следующем. Когда процессы слияния частиц прекратились, новых путей изменения того, из чего Вселенная состояла, еще не существовало. По крайней мере до того времени, пока через миллионы лет не появились звезды и не создали основу для более тяжелых элементов. Таким образом, космос сегодня должен в основном состоять на 75 % из водорода и на 25 % – из гелия. Именно это астрономы находят, когда они смотрят на сегодняшнюю Вселенную – да здравствует теория Большого взрыва.

Куда делась вся антиматерия?

Процесс преобразования энергии в частицы называется процессом образования электрон-позитронной пары. Из его названия следует, что в результате этого процесса всегда образуется две частицы – одно вещество и одно антивещество. Частицы антивещества являются зеркальными отражениями обычных частиц. Они обладают всеми те же свойствами, что и частицы вещество, но имеют противоположный электрический заряд. Например, позитрон – это античастица отрицательно заряженного электрона.

Пары частица-античастица могут образовываться до тех пор, пока энергия достаточно высока, чтобы компенсировать массы обеих частиц (согласно знаменитому уравнению Эйнштейна E = mc2). Именно по этой причине теория Большого взрыва предполагает остановку производства пар в тот момент, когда Вселенной исполнилось всего одна секунда. Будучи все еще исключительно горячей, она все же охладилась настолько существенно, что доступная энергия уже не могла компенсировать образование массы новых пар частица-аничастица.

Процессом, противоположным образованию пар частиц, является процесс аннигиляции, при котором частицы и их античастицы сталкиваются и превращаются обратно в энергию. Поскольку продукция пары должна создавать равное количество вещества и антивещества, за 13,8 миллиарда лет с момента Большого взрыва все вещество должно было аннигилироваться с антивеществом, оставив Вселенную, вновь заполненную только энергией.

Но этого не произошло. Сегодня во Вселенной имеется непомерное количество вещества – это и звезды, и планеты, и люди, и много чего еще. Астрономы убеждены, что на каждый миллиард образованных изначально частиц антивещества возникли миллиард плюс одна частица вещества. Все, что вы видите вокруг себя, возникло из крошечного излишка частиц вещества, которые не подверглись процессу аннигиляции. Почему во Вселенной произошло это небольшое отклонение соотношения вещества и антивещества, остается одной из самых больших загадок в физике.

Рекомбинация

Согласно теории Большого взрыва, процесс слияния частиц приостановился после того, как 25 % всего водорода во Вселенной превратилось в гелий. К этому моменту Вселенная просуществовала всего 20 минут. Но затем ничего существенного не происходило в течение очень долгого времени: 380 тысяч лет. Вселенная представляла собой море энергии, электронов, протонов (ядер водорода) и гелия, которое продолжало расширяться и охлаждаться.

Как мы уже видели в главе 5, смотреть на объекты, находящиеся в далекой Вселенной, – это все равно что смотреть в прошлое. Но когда мы пытаемся, оглянувшись назад, увидеть то, что находится на расстоянии, эквивалентном первым 380 тысячам лет Вселенной, наш взгляд не способен достичь цели. В те времена море частиц было настолько плотным, что никакой свет просто не мог излучаться. Это как смотреть сквозь густой туман.

Вместе с тем, согласно теории Большого взрыва, Вселенная в конце концов расширилась и охладилась до такой степени, что протоны и ядра гелия уже могли захватывать пролетающие мимо электроны и впервые могли образовывать атомы. Все это привело к высвобождению значительного пространства и неожиданно позволило свету вырваться наружу. Физики называют это событие рекомбинацией. Однако это имя малоподходящее, потому что электроны и ядра никогда до этого не объединялись.

Если Большой взрыв все-таки является реальным фактом истории Вселенной, свет, высвободившийся в момент рекомбинации, должен был залить все пространство Вселенной. За последние 13,8 миллиарда лет он, несомненно, потерял большое количество своей энергии, тем не менее продолжал оставаться там. Наличие этого реликтового излучения является ключевым предвидением и следствием теории Большого взрыва, потому что этого излучения просто не было бы, если бы наша Вселенная соответствовала стационарной модели. Поэтому решение вопроса о том, существует ли такое излучение стал ключевым моментом, определяющим выбор между двумя альтернативными теориями.

Реликтовое микроволновое излучение

В 1964 году американские астрономы Арно Пензиас и Роберт Уилсон работали c рупорной антенной в Холмделе в Нью-Джерси. Эта антенна была предназначена для приема радиоволн, отраженных от ряда самых первых спутников связи, которые должны быть запущены в космос. Поступающие сигналы оказались невероятно слабыми, поэтому Пензиасу и Уилсону предстояло настроить антенну таким образом, чтобы устранить любые более громкие фоновые шумы, включая и трансляции местных радиостанций.

Но несмотря на то, что они устранили все посторонние сигналы, о которых могли подумать, антенна продолжала улавливать какие-то тихие шумы. Они поступали из всех концов космического пространства и были слышны 24 часа в сутки. Сначала они подумали, что это всего лишь приветы от голубей, устроившихся на рупоре. Они назвали их «белым диэлектрическим материалом». Голубей прогнали, а последствия их проделок были тщательно отмыты, но шум никуда не делся.

Тем временем ниже по дороге, в Принстонском университете, команда под руководством Роберта Дикке занималась поиском реликтового излучения, которое, как было предсказано, осталось после рекомбинации, произошедшей через 380 тысяч лет после Большого взрыва. Услышав о радиошумах, зафиксированных Пензиасом и Уилсоном, Дикке произнес ставшие знаменитыми слова: «Парни, нас опередили». Сегодня мы называем это излучение реликтовым микроволновым излучением (РМИ). Его обнаружили совершенно случайно, но это был удар, от которого стационарная модель так и не оправилась. РМИ стало неопровержимым, просто железобетонным доказательством того, что Вселенная началась с маленькой горячей точки.

Ко времени высвобождения РМИ в результате расширения, Вселенная охладилась примерно до 3000 К (2727 градусов по Цельсию). Это равно температуре на поверхности красной карликовой звезды, и отсюда следует, что первоначальный свет, высвобожденный в результате рекомбинации, вероятно, имел красноватый оттенок. Между тем, расширение Вселенной, продолжавшееся более 13 миллиардов лет, привело к удлинению этого света, из-за чего длина волны изменилась до уровня, недоступного человеческому глазу. Поэтому сегодня мы улавливаем его в микроволновой и радиоволной части спектра. Его температура в настоящее время составляет всего 2,7 К (–270 градусов по Цельсию).