Простая сложная Вселенная - Кристоф Гальфар

– И на том спасибо.

– Теперь: если вся энергия содержалась в крошечном объеме, тогда, конечно, существовало сильное трение и происходила куча других вещей, так что в юной Вселенной, видимо, было очень жарко.

Звучит убедительно? Да, и вы не в первый раз приходите к такому выводу.

Но тогда возможно сделать и другие выводы.

Как вам такой: Вселенная могла быть настолько плотной, что ни один луч света извне в то время не мог пройти сквозь нее.

– Ни один луч света не мог пройти сквозь нее… Хм… Звучит так, как будто бы стена…

Точно, вы правы.

Отличная работа.

Такое место должно было существовать на каком-то этапе в прошлом Вселенной, если модель расширения верна от начала до конца, и оно действительно существует. Вы видели его поверхность. Это поверхность последнего рассеяния, поверхность, ограничивающая то, что можно увидеть в нашей Вселенной.

То, что вы только что проделали, довольно необычно.

Вы только что побывали в мечте физика: исходя из чистой логики, используя уравнения Эйнштейна и увиденное во Вселенной после того, как покинули свой пляж, вы выяснили, что где-то там в нашем прошлом должна существовать непроницаемая для света стена. Что ее поверхность должна быть до сих пор видна и… видна на самом деле. Эта поверхность была обнаружена в результате экспериментов и картографирована, как вы сейчас убедитесь.

Я понимаю, что, читая эти строки, вы не можете не почувствовать, как только что произвели революцию в нашем видении Вселенной, но это потому, что вам показали стену, прежде чем додуматься до нее. Вы не потратили двадцать с лишним лет жизни в попытках доказать ее существование задолго до обнаружения. Тем не менее открывшие стену ученые были невероятно поражены фактом ее наличия.

И как ее открыли?

Вновь задумчиво бродя по пляжу, вы понимаете, что есть проблема: поверхность, что вы узрели на краю сегодняшней видимой Вселенной, не совсем та, о которой вы только что думали, не правда ли? Настоящая, та, что мы можем наблюдать в телескопы, очень холодная, в то время как эта стена, всплывшая в вашем уме, была очень горячей.

Насколько горячей?

Используя уравнение Эйнштейна, некоторые ученые уже рассчитали ее предполагаемую температуру. В итоге появилась достаточно внушительная цифра: около 3000 °C. Они обнаружили, что, становясь прозрачной, вся Вселенная имела такую же температуру.

Стены, которую вы видели в небе, не было.

И это проблема.

Но разве вы о чем-то не забыли?

Разве, сделав вывод о самом существовании горячего прошлого, вы не допускаете, что пространство-время расширяется, что видимый объем Вселенной рос и со временем вырос до размеров, замеченных вашими друзьями на небе? И не могло ли это расширение оказать влияние на температуру Вселенной?

Ну да. Не только могло, но и должно было, что на самом деле меняет все.

Взять духовку на вашей кухне. Разогрейте ее так, чтобы воздух внутри стал приятно жарким. Затем выключите и представьте себе, что духовка начинает быстро расти, достигнув величины дома. Температура внутри нее мгновенно станет значительно ниже, чем при обычных размерах.

Расчеты, проведенные еще в 1948 году американскими учеными Георгием Гамовым, Ральфом Альфером и Робертом Херманом, показали, что из-за расширения Вселенной от упомянутых 3000 °C должен остаться лишь слабый след и заполнить тепловым излучением всю видимую Вселенную, как бы исходя от поверхности вашей стены. Какую температуру ожидали найти ученые?

Где-то около -260 или -270 °C. Или где-то между 3 К и 13 К выше абсолютного нуля.

И так получилось, что в 1965 году, через семнадцать лет после расчетов Гамова и его коллег, два американских физика, Арно Пензиас и Роберт Уилсон, проводили для американской компании Bell Laboratories необычную работу. Им надо было настроить антенну для приема отраженных от спутника-баллона радиоволн. Приятная легкая работа, если бы не довольно странное препятствие – раздражающий шум, слышимый на всех частотах. Чтобы избавиться от него и получить гонорар, они провели несколько блестящих проверок и поиск потенциальных инженерных неисправностей. Но ничего не помогало. Что бы они ни делали, шум был неистребим. В конце концов, не находя никаких других причин проблемы, они обвинили в ней голубей или других пролетавших мимо птиц, гадивших на их ультрасовременную антенну. Несмотря на впечатляющие научные достижения, они зашли еще дальше, проведя долгое время за ожесточенной чисткой своего устройства и проклиная существование птиц. Но шум не исчез, и дело закончилось тем, что они вызвали своих друзей – физиков-теоретиков. Вскоре после их визита они поняли, что могли пытаться избавиться от этого шума вечно без малейших шансов на успех. То, что они слышали, происходило не из-за «презентов» птиц. «Шум» исходил даже не с Земли. Это был сигнал. Температурный сигнал, сигнал температуры в 270,42 °C. И исходил он из космоса. Отовсюду.

Гамов, Альфер и Герман предсказали его. Он явился следствием уравнений Эйнштейна. Это был остаточный след температуры последнего светонепроницаемого момента нашей Вселенной; застывший кадр, снятый более 13,8 миллиарда лет назад, когда гораздо меньшая по размеру Вселенная была настолько плотно заполнена материей и энергией, что свет не мог еще проходить сквозь нее.[24]

Пензиас и Уилсон экспериментально подтвердили расчеты теории, показавшейся некоторым ученым настолько абсурдной, что даже ее название – теория Большого взрыва – было придумано одним из самых известных профессоров того времени, британцем Фредом Хойлом из Кембриджского университета, только чтобы высмеять ее.

В 1978 году Пензиас и Уилсон получили Нобелевскую премию по физике. Они обнаружили остаточное тепло растопленной очень давно печи нашей Вселенной, тепло, излучаемое с поверхности последнего рассеяния, поверхности, ограничивающей конец видимой Вселенной.[25] Это излучение, одно из неопровержимых доказательств (горячего) Большого взрыва, называется реликтовым излучением, или космическим микроволновым фоновым излучением.