Большое космическое путешествие - Дж. Ричард Готт

Если Вселенная в данный момент расширяется, а пространство между галактиками со временем увеличивается, это означает, что в прошлом галактики находились ближе друг к другу. Рассмотрим галактику, отстоящую от нас на расстояние d. Она удаляется от нас с некоторой скоростью в соответствии с законом Хаббла H0d. Если условно предположить, что эта скорость с течением времени не изменяется, то можно поставить вопрос: сколько времени потребуется галактике, чтобы преодолеть расстояние d? Иными словами, как давно эта галактика была прямо у нас над головой? Если я живу в 500 км от некоторого города и кто-то едет из этого города ко мне в гости со скоростью 50 км/ч, то он покроет это расстояние за время, вычисляемое про формуле 500 км/50 км/ч = 10 часов. В данном случае нас интересует, как давно галактика находилась прямо над нами. Промежуток времени t до этого момента времени равен расстоянию d, пройденному галактикой, деленному на ее скорость v (которая, по закону Хаббла, равна H0d):

t = d/v = d/(H0d) = 1/H0.

Этот результат кажется простым – на самом деле так и есть. Но он очень информативен. Обратите внимание: время t не зависит от расстояния d до галактики. Следовательно, для любой галактики мы получим один и тот же момент в прошлом, когда эта галактика должна была находиться прямо над нами. Кажется, что в какой-то давний момент все галактики были сосредоточены в одной точке. Но, исследуя этот вопрос подробнее, не будем забывать, что озвученный факт все равно не означает, что мы находимся в центре расширения; мы могли бы изложить точно такую аргументацию, но взять за «точку отсчета» любую другую галактику, и получили бы все тот же результат. Напрашивается вывод, что в какой-то момент истории Вселенной вся ее материя была сосредоточена в одной точке. Все «изюминки» были спрессованы воедино. И мы знаем, когда это было! 1/H0 времени назад. Вот еще одна причина, почему нас так интересует значение постоянной Хаббла. Эта постоянная позволяет узнать возраст Вселенной.

Давайте считать. Наилучшая оценка постоянной Хаббла, имеющаяся у нас сегодня, получена при помощи спутника Планк и составляет 67 (км/c)/Мпк, так что обратная величина 1/H0 равна 1/67 с х Мпк/км. Мегапарсек равен 3,086 × 1019 км, поэтому, подставив это значение для Мпк/км и разделив его на 67, находим, что 1/H0 равна 4,67 × 1017 с. Если перевести эту величину из секунд в годы, то получится, что все галактики были сосредоточены в одном месте примерно 14,6 миллиарда лет назад.

Этот момент времени называется «Большой взрыв». Сам термин предложил Фред Хойл в конце 1940-х годов. Хотя Хойл всю жизнь не признавал модель Большого взрыва и умер в убеждении, что идея ошибочна, термин с тех пор закрепился. В 1994 году Карл Саган, научный журналист Тимоти Феррис и телеведущий Хью Даунс, подобно Кальвину из приведенного ниже комикса, высказались, что концепция Большого взрыва настолько важная и основополагающая для современного понимания космологии, что она заслуживает более выразительного названия, чем «Большой взрыв». Они объявили международный конкурс, попросив зрителей предлагать альтернативные названия. Поступило более 13 000 версий, они рассмотрели все, а затем, совершенно сдавшись, признали, что «Большой взрыв» совсем неплох.

Закон Хаббла наводит на мысль, что когда-то давно, 14,6 миллиарда лет назад, вся Вселенная была сжата в одну точку и с тех пор расширяется. Расчеты времени, истекшего с момента Большого взрыва, были сделаны довольно грубо, и мы полагали, что каждая галактика движется с постоянной скоростью, но современная оценка, построенная на более сложных вычислениях, дает величину примерно 13,8 миллиарда лет. Есть ли смысл в этой оценке возраста Вселенной (ведь именно возраст нас и интересует)? Мы знаем возраст Солнечной системы в основном по измерению радиоактивного распада в лунных и метеоритных породах; он равен около 4,6 миллиарда лет. Это величина того же порядка, что и время расширения Вселенной, хотя она поменьше и поэтому звучит уютнее. Солнце и Солнечная система насыщены тяжелыми элементами, сформировавшимися при взрывах древних сверхновых, поэтому нельзя полагать, что Солнце сформировалось в числе первых звезд. Кроме того, мы рассказали, как можно определять возраст шаровых звездных скоплений, исходя из того, где на диаграмме Герцшпрунга – Рассела для этих скоплений находится точка ухода с главной последовательности: таким методом возраст древнейших шаровых скоплений оценивается в 12–13 миллиардов лет.

Совершенно удивительно, что три этих разных и абсолютно независимых способа оценки возраста Вселенной (и возраста древнейших объектов в ней) не противоречат друг другу! Остается изумляться, что три эти оценки согласуются друг с другом в пределах коэффициента 3; это великий триумф наших фундаментальных идей об устройстве Вселенной. Тот факт, что все это величины одного порядка (и древнейшие известные нам объекты во Вселенной образовались позже Большого взрыва), действительно убеждает, что наши базовые физические идеи верны.

Рис. 14.2. Комикс «Сверхужасный космотрахбабах» из серии «Кальвин и Хоббс». Рисунок предоставлен: CALVIN AND HOBBES © 1992 Watterson. Публикуется с разрешения UNIVERSAL UCLICK. Все права защищены

Теперь давайте представим, как Вселенная выглядела в прошлом. Поскольку Вселенная расширяется, ее плотность со временем уменьшается, и определенная масса в более поздний период будет занимать больший объем, чем раньше. Итак, давным-давно Вселенная была гуще. Точно как и в случае со звездой: чем плотнее объект, тем жарче он становится, и раньше Вселенная была гораздо горячее, чем сейчас (в главе 15 будет рассказано, что мы понимаем под температурой Вселенной; оказывается, эта концепция достаточно четко определена). Действительно, на основе простейших экстраполяций приходим к выводу, что около 13,8 миллиарда лет назад был момент, когда вся наблюдаемая Вселенная имела бесконечную температуру и бесконечную плотность, и с тех самых пор до сегодняшнего дня она расширяется и остывает. Нельзя заглянуть в прошлое дальше чем на 13,8 миллиарда лет – в нашем понимании это момент рождения Вселенной. Расширение Вселенной началось в момент ее рождения и продолжается до сих пор по закону Хаббла.

Итак, в момент Большого взрыва Вселенная должна была иметь бесконечную температуру и бесконечную плотность. Была ли она в то же время бесконечно малой? Вот здесь все становится интереснее. Ответ таков: на самом деле нет, если употреблять слово «малый» в обычном значении. Предположим, что сегодня Вселенная бесконечно велика. «Подождите-ка! – могли бы возразить читатели – вы в вашей книге постоянно говорите, что наблюдаемая Вселенная конечна, ее радиус – несколько десятков миллиардов световых лет!» Так и есть. Мы различаем Вселенную в целом и наблюдаемую часть Вселенной – ту, которую видим сегодня; именно наблюдаемая часть Вселенной имеет конечный размер. Вселенная расширяется и, следовательно, плотность ее снижается, но если она бесконечна сегодня, то и в компактном виде, давно в прошлом, она также была бесконечной – и, определенно, она была бесконечной и в момент Большого взрыва. Таким образом, в момент рождения Вселенная была бесконечно протяженной, бесконечно плотной и бесконечно горячей. У нее не было центра и, конечно же, не было края, из-за которого можно было бы взглянуть на всю Вселенную целиком.