Что такое Большой взрыв?
Мы отодвинули границу наших знаний в прошлое почти на 14 млрд лет, к тому времени, когда вся Вселенная была раскалённым термоядерным реактором. Когда я говорю, что верю в гипотезу Большого взрыва, то имею в виду, что я убеждён в истинности следующего утверждения, и не более того:
Всё, что мы можем наблюдать сейчас, когда-то было горячее солнечного ядра и расширялось так быстро, что менее чем за секунду вдвое увеличивалось в размерах.
Этот взрыв, определённо, был достаточно большим, чтобы оправдать прописную букву в своём названии. Учтите, однако: моё определение, очень осторожное, ничего не говорит о том, что было до взрыва. Например, эта гипотеза не подразумевает, что возраст нашей Вселенной в тот момент составлял секунду, или что некогда она была бесконечно плотной, или она возникла из некоей сингулярности, в которой не действовала наша математика. На заданный в прошлой главе вопрос — есть ли у нас доказательство существования сингулярности в момент Большого взрыва? — имеется простой ответ: нет! Конечно, если мы экстраполируем уравнения Фридмана настолько далеко во времени, насколько они позволяют, они перестанут работать при бесконечно плотной сингулярности примерно за секунду до начала первичного нуклеосинтеза. Однако квантово-механическая теория (гл. 7) говорит, что эта экстраполяция перестаёт работать раньше, чем достигается сингулярность. Я думаю, очень важно различать то, чему есть надёжные подтверждения, и то, что пока находится в области спекуляций. Хотя мы располагаем некоторыми интересными теориями (гл. 5), следует прямо заявить, что мы ничего не знаем наверняка. Вот нынешний рубеж наших знаний. Вообще-то мы даже не уверены, что наша Вселенная действительно имела начало, а не занималась непонятно чем вечность до первичного нуклеосинтеза.
Короче говоря, мы отодвинули границу знания на удивление далеко во времени, уяснив ход космической истории (рис. 3.7). Через 1 млн лет после Большого взрыва пространство было заполнено почти однородным прозрачным газом. Если рассматривать космическую драму в обратном порядке, мы увидим, как газ становится всё горячее, его атомы сталкиваются друг с другом всё активнее, пока они не распадаются на ядра и свободные электроны и не образуют плазму. Затем мы увидим, как атомы гелия, сталкиваясь, разбиваются на протоны и нейтроны. А те разбиваются на кварки. Тут мы пересекаем границу знания и входим в сферу научных спекуляций: в гл. 5 мы исследуем то, что на рис. 3.7 названо «инфляцией» и «квантовой пеной». Если мы вернёмся к миллиону лет после Большого взрыва и запустим время вперёд, то увидим, как гравитация увеличивает небольшие сгущения газа, превращая их в галактики, звёзды и все разнообразные космические структуры, которые мы наблюдаем сегодня.
Рис. 3.7. Хотя мы мало что знаем о рождении Вселенной, мы хорошо представляем себе, что случилось в следующие 14 млрд лет. По мере того, как Вселенная расширялась и охлаждалась, кварки объединялись в протоны (ядра водорода) и нейтроны, которые, в свою очередь, сливались в ядра гелия. Затем ядра, захватывая электроны, образовывали атомы, а гравитация сложила из атомов галактики, звёзды и планеты.
Но гравитация может лишь усиливать малые флуктуации, превращая их в крупные, и не способна порождать флуктуации из ничего. Идеально гладкую и однородную среду гравитация сохранит таковой навсегда. Она не в силах образовать никаких уплотнений, не говоря уже о галактиках. Это означает, что в ранней Вселенной должны были существовать небольшие зародышевые флуктуации, которые гравитация могла усиливать и которые послужили своего рода космическими чертежами, определяющими, где будут формироваться галактики. Откуда могли появиться эти флуктуации? Мы увидели, откуда во Вселенной атомы, но что можно сказать о происхождении величественного паттерна, в который выстроились галактики? Откуда взялась крупномасштабная структура Вселенной? Из множества космологических вопросов, которыми задавались люди, этот кажется мне самым важным. В следующих двух главах я поясню, почему я так считаю.
Резюме
• Свету из далёких источников требуется время, чтобы достичь Земли, поэтому телескопы позволяют нам увидеть ход истории космоса.
• Около 14 млрд лет назад наша Вселенная была горячее, чем нынешнее ядро Солнца, и расширялась настолько быстро, что меньше чем за секунду удваивалась в размерах. Я называю это «Большим взрывом».
• Хотя нам неизвестно, что происходило до Большого взрыва, мы уже многое знаем о произошедшем с тех пор — о расширении пространства и кластеризации вещества.
• В течение нескольких минут Вселенная была гигантским термоядерным реактором и, подобно солнечному ядру, превращала водород в гелий и другие элементы, пока космологическое расширение не сделало её разрежённой и холодной в достаточной мере, чтобы термоядерные реакции остановились.
• Расчёты показывают, что около 25 % водорода превратилось в гелий. Измерения прекрасно согласуются с этим предсказанием и данными о других лёгких элементах.
• Ещё через 400 тыс. лет расширения и разрежения водородно-гелиевая плазма охладилась настолько, что стала прозрачным газом. Мы видим этот переход как далёкую плазменную стену, слабое свечение которой известно как космический микроволновый фон (за его изучение присудили две Нобелевских премии).
• За миллиарды лет гравитация превратила нашу Вселенную из однородной и скучной в комковатую и интересную. Гравитация усилила незначительные флуктуации, которые мы наблюдаем на космическом микроволновом фоне, и сформировала из них планеты, звёзды, галактики и наблюдаемую сейчас крупномасштабную структуру Вселенной.
• Теория космологического расширения предсказывает, что галактики должны удаляться от нас в соответствии с определённой формулой, которая согласуется с тем, что мы действительно наблюдаем.
• Вся история Вселенной с высокой точностью описывается простыми физическими законами, которые позволяют определять будущее на основании прошлого, и наоборот.
• Физические законы, управляющие историей нашей Вселенной, описываются с помощью математических уравнений. Поэтому самое точное описание нашей космической истории — математическое.
Глава 4. Вселенная в числах
Космологи часто ошибаются, но никогда не сомневаются.
Лев ЛандауТеоретически теория и практика — одно и то же, но на практике — совсем разные вещи.
Альберт ЭйнштейнУ меня буквально челюсть отвисла. Я стоял на обочине, лишившись дара речи. Я ежедневно смотрел на небо, всю свою жизнь, но никогда прежде по-настоящему его не видел. Было около пяти утра. Я остановился на обочине шоссе через Аризонскую пустыню, чтобы свериться с картой. И оказался пригвождён к месту: то, что я увидел над головой, ничуть не
