В ту пору не было ни звезд, ни скоплений, ни галактик — ни одно светило не появилось еще на свет. Лишь в оптическом диапазоне волн мчат, пронизывая во всех направлениях пространство, фотоны. Именно в том, каким образом сейчас распределена энергия этих остывших чуть ли не до абсолютного нуля квантов электромагнитного поля, содержится бесценная информация о «начале», если так можно выразиться, мира. В потоках реликтовых фотонов содержатся тончайшие генетические структуры, расшифровывая которые, космологи пытаются понять, как появился на свет феноменальный «сверхген» Вселенной, из которого спустя миллиардолетия родились галактики, звезды, мы…
1. За «ошибку» — Нобелевскую премию
Почти четверть века назад американские радиоастрономы А. Пензиас и Р. Вильсон заложили краеугольный камень в здание современной космологии. «Прослушивая» небесный свод с помощью специальной рупорной антенны, они изучали слабые радиосигналы, отражаемые спутниками «Эхо». Антенна — это укрепленная на крыше здания гигантская «слуховая трубка» 7 м длиной. Пытаясь определить порог чувствительности антенны, ученые ориентировали ее рупор так, чтобы в него не попадало космическое радиоизлучение Млечного Пути. Прием шел на волне 7 см, в том диапазоне, в котором атмосфера имеет «окно прозрачности», поэтому на фоне молчащего радиокосмоса должны были бы сразу отчетливо проявиться собственные шумы аппаратуры. Расчеты, однако, не оправдывались. Галактика отчетливо «фонила». Но может быть, высокочувствительный прибор заодно регистрировал и тепловые помехи атмосферы? Ученые стали понемногу менять положение «слуховой трубки», рассуждая, что при приближении к линии горизонта атмосфера становится толще и, следовательно, уровень шумов должен возрасти, а в зените, напротив, упасть.
Но ничего подобного. Антенна вела себя одинаково шумно при всех положениях рупора над горизонтом. Эксперимент затянулся на многие месяцы, поэтому антенна, вращаясь вместе с Землей вокруг ее оси, а также вокруг Солнца, словом, перемещаясь в пространстве, уже принимала излучение из новых областей Галактики, но… все на том же недопустимо высоком уровне шума. И в любом положении «температура» антенного шума отличалась от расчетной на одну и ту же величину.
Будучи дотошным исследователем, Пензиас в поисках «шумящего» фактора винтик за винтиком перебрал узлы и детали своей конструкции. Пришлось даже выселить из рупора пару голубей, а также затратить немалые усилия на очистку антенных конструкций от некоего постороннего вещества, которое Пензиас позже, в своей Нобелевской речи, назовет деликатно «диэлектрическим белым налетом».
Тщетны все старания! Едва опыты были возобновлены, выскобленный и вылизанный коротковолновый приемник излучения зашумел вновь. Сигнал на выходе приемника свидетельствовал о том, что он принимал энергию, пропорциональную 7 К, изо всех точек пространства. В конце концов, отнеся еще градуса 3–4 на внутренние шумы охлаждаемых жидким гелием усилителей, экспериментаторы получили в «сухом» остатке около 3 К, «списать» которые было просто-напросто не на кого… Разве что на Вселенную, которую и заполняло это однородное, доселе неизвестное микроволновое излучение?..
Так было совершено самое выдающееся со времен Коперника открытие в области космологии (учеными, кстати сказать, никакого отношения к космологии не имеющими). В 1978 году за открытие микроволнового реликтового излучения им была присуждена Нобелевская премия. Оказалось, впрочем, что теоретиками эти результаты были давно предсказаны.
2. Свет и тьма «горячей» Вселенной
«Всегда очень трудно сознавать, что те числа и уравнения, которыми мы забавляемся за нашими столами, имеют какое-то отношение к реальному миру», — сказал однажды лауреат Нобелевской премии С. Вайнберг. Может, это был прозрачный намек физикам-экспериментаторам на их излишнюю недоверчивость — или невнимательность? — к выводам, получаемым «на кончике пера»? Скорее всего так, ведь еще в 20-х годах из решений уравнений гравитации А. Эйнштейна, полученных выдающимся советским физиком А. Фридманом в первой половине 20-х годов, следовало, что в зависимости от средней плотности вещества Вселенная может либо бесконечно расширяться, либо под влиянием сил гравитации сжиматься.
Фридмановскую модель расширяющейся Вселенной вскоре подтвердило открытие американского астронома Э. Хаббла. Он обнаружил, что в спектрах далеких галактик наблюдается так называемое красное смещение, причем тем большее, чем дальше галактики находятся от Земли. Из школьного курса физики известно, что, согласно эффекту Доплера, длина световой волны увеличивается, если излучающий объект, в данном случае галактика, удаляется от нас. Или другой широко известный пример с гудом самолетных турбин: если машина приближается к наблюдателю, звук становится выше, если удаляется — ниже; в последнем случае волны как бы удлиняются, то есть происходит смещение спектра в сторону более длинных волн.
То же самое происходит и в спектре радиоизлучения разлетающихся галактик. Однако самым поразительным было то, что по характеру красного смещения оказалось возможным определить возраст расширяющейся Вселенной.
Но вот вопрос: что послужило начальным толчком для такого расширения? И почему чем дальше от нас находятся галактики, тем быстрее они разлетаются?
Своеобразной точкой отсчета для современного этапа эволюции Вселенной является Большой взрыв. Примерно к такому выводу пришел американский физик русского происхождения Георгий Гамов, опубликовавший в 40-х годах три небольшие заметки в «Физикал Ревю», в которых изложил теорию, ныне широко известную под названием «горячей» Вселенной, или Большого взрыва.
В самом деле. Допустим, мы наблюдаем какое-то событие, начало которого застать не удалось. Видя разлетающиеся с огромной скоростью обломки, можно судить о силе первоначального толчка. Применительно к разлетающимся галактикам роль первотолчка сыграл Большой взрыв. Точно так же по остывающему при расширении веществу, излучению и другим его «отголоскам» удалось установить, что примерно 20 млрд. лет назад (по другим оценкам — 15 млрд. лет) Вселенная была чрезмерно сжата и очень горяча. Насколько?.. И как быстро произошло то событие, которое сыграло весьма заметную роль в деле дальнейшего обустройства нашей Вселенной?
Осведомленность физиков в этом вопросе поражает воображение. Так, утверждается, что в момент времени, близкий к начальному, все вещество Вселенной, имея температуру 1031 К и плотность 1093 г/см3, занимало скромный, размером с протон, объем. Далее первичный огненный шар начал расширяться — сначала быстро, потом гораздо медленнее. Дальнейший сценарий его эволюции едва ли не с секундной точностью современной наукой написан. Кроме, пожалуй, наиболее интересного начального этапа, когда вещество нашей Вселенной было собрано в одну точку, несколько туманно именуемой сингулярностью. Неизвестно лишь, что представляют собой свойства этой точки, ибо основные законы природы, которыми мы пользуемся, в том числе и важнейшие пространственно-временные соотношения, никак не могут оставаться справедливыми при тех экстремальных условиях, что присущи сингулярности. В этой — особой — точке теряют смысл даже такие фундаментальные понятия, как «раньше» и «позже», «причина» и «следствие»…
Теперь от волнующей, но непознанной сингулярности мысленно перенесемся к одному из важнейших этапов расширения Вселенной, который физики буднично называют радиационным. В это время первичный огненный шар все еще был непрозрачен для электромагнитного излучения — в нем вещество находилось в тепловом равновесии. Давление фотонного газа в мгновение ока разрушало любой образовавшийся сгусток вещества. В свою очередь, свободные электроны с их свойством рассеивать излучение решительно «пресекали» любые попытки фотонов покинуть пределы огненного шара. Лишь через миллион лет после Большого взрыва (или, как сказали бы астрофизики, при красном смещении 1055), когда температура огненного протонно-электронно-фотонного шара упала ниже 4000 К, появились на свет первые атомы водорода.
