Текст книги "Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса"
Автор книги: Йостейн Кристиансен
сообщить о нарушении
Текущая страница: 6 (всего у книги 15 страниц)
2.11. Связывающие нас заряды
Электромагнитное взаимодействие играет важную роль даже в жизни электронейтральных людей и коров. Во-первых, электроэнергия – это то, что связывает вещество в структуры и делает нас людьми, а, например, книгу – книгой, а не просто грудой неупорядоченных частиц. К тому же сталкиваемся мы именно благодаря электроэнергии. А столкновение – процесс важный. Вспомните, как из-за столкновений между частицами газа и пыли во Вселенной рождаются звезды и планеты.
Представьте, что вы вышли на тротуар и подпрыгнули. Сначала вы двигаетесь вверх, но гравитация тянет вас вниз. Через десятую долю секунды вы уже достигнете верхней точки и начнете снова опускаться на землю. Вы приближаетесь к тротуару со все возрастающей скоростью. И как только ваша обувь касается асфальта, вы останавливаетесь. Вы столкнулись с асфальтом. Электроны в подошве вашей обуви сталкиваются с электронами в асфальте, и отталкивающие силы между электронами заставляют вас остановиться. И когда вы чувствуете, что снова стоите на земле, вы буквально парите на подушке отталкивающих электрических сил.
А что бы произошло, если бы нам на мгновение удалось отключить электрические силы в вашем теле, пока вы стояли на тротуаре? Первым делом вы бы распались на части. Впрочем, давайте все же представим, что вашим клеткам каким-то магическим образом удалось удержаться вместе. Да, тогда вы бы провалились сквозь асфальт, к самому центру Земли и танцевали бы между южной частью Тихого океана и Норвегией, точно так же, как то ньютоновское яблоко из темной материи. Провалиться под землю ни вам, ни обычному яблоку не дают электрические заряды.
Так что стоит быть готовыми к следующему утверждению: темная материя не сталкивается, потому что не содержит электрических зарядов. Поэтому и просто на полу она валяться не будет. Из этой материи не образуются книги, люди, лоси или планеты. Получается, мир темной материи, грубо говоря, неосязаем.
Отсутствие электрических зарядов – это причина не только неосязаемости темной материи, но и ее невидимости. Почему? Придется сначала разобраться с понятиями видимости и света.
Свет и электромагнитные волны
Когда мы что-то видим, будь то корова или далекая галактика, происходит это благодаря тому, что свет достигает наших глаз. Но что же такое свет?
Видимый свет – малая часть явления, которое мы называем электромагнитными волнами. Эти волны перемещаются в пространстве со скоростью света. Мы замечаем световые волны, когда они достигают наших глаз, но видим мы далеко не все волны. Частенько мы можем не разглядеть световые волны, которые гуляют прямо у нас под носом, стремятся к чьим-то еще глазам или даже стене, дереву или горе. Чтобы лучше понять природу световых волн, нужно сначала взглянуть на наиболее привычные нам волны – те, что можно наблюдать на воде.
Меня трудно назвать бывалым моряком, но при мысли о волнах я всегда вспоминаю о прекрасном озере Мьёса. Представьте себе, что сейчас чудный летний день и неподвижная водная гладь улыбается вам. Как создать волны на воде? Допустим, вы используете типично норвежский прием и создадите волны так: зайдете по пояс в воду и начнете опускать в воду мяч, а потом снова вытаскивать. От мяча будут расходиться отличные круговые волны. Если вы зануда, то станете бросать и поднимать мяч с особым ритмом, похожим на азбуку Морзе.
Погружение мяча в воду – хорошая аналогия с электромагнитными волнами. Здесь пляжные мячи играют роль электрических зарядов, а волны в воде можно сравнить с электромагнитными волнами.
На пляж вы пришли со знакомым и в этот чудесный день ваш спутник или спутница тоже играет в воде в собственный надувной мяч. Через какое-то время волны от вашего мяча доходят до этого знакомого. Он не без удивления обращает внимание, что эти волны касаются и его мяча. Мяч опускается и приподнимается в том же ритме, который вы создали, поэтому приятель сразу же обращает внимание на послание, зашифрованное в волнах. После интерпретации сообщения друг в ответ окунает свой мяч в воду, так что новое волновое сообщение начинает двигаться к вам. Добравшись до вашего мяча, волны примутся раскачивать его и передадут вам ответное сообщение.
Настало время покинуть нашу парочку. Не станем расшифровывать переданные морзянкой сообщения. А урок из этой истории извлечем следующий: раскачивая мяч, можно создать волны, которые в свою очередь раскачают другой надувной мяч. Впечатлились? Не особо? Тогда давайте сравним волны на озере со световыми волнами.
Электромагнитные волны, а соответственно, и свет работают по тому же принципу, что и волны на озере, с одной лишь разницей – вместо мячей и воды в игру вступают электрические заряды и электромагнитные волны соответственно. Если вы возьмете электрический заряд, такой как электрон, и немного встряхнете его (или станцуете буги-вуги), электрон испустит электромагнитные волны. И если колебания пляжного мяча создают волны в воде, то колебания электрона создают волны в электрических и магнитных полях.
Полях? Да, электромагнитные поля – это основная концепция, на которой основываются понятия света, видимости, невидимости, сталкивающихся яблок и галактик. А поле-то, собственно говоря, – это, вообще, что такое? Термин «поле» встречается во многих областях физики, и не только когда речь идет об электромагнетизме. Например, мы часто говорим о полях тяготения, или гравитационных полях. Если книга находится в гравитационном поле, это означает, что на нее будут действовать гравитационные силы. В определенной точке комнаты, например на столе перед вами, гравитационное поле будет иметь определенное направление и силу, а в другой точке оно может вести себя иначе. То же самое с электрическими и магнитными полями. Возле магнита будет магнитное поле, а около электрического заряда имеется поле электрическое.
Вокруг потертого о волосы шарика образуется электрическое поле, но увидеть мы его не в силах. А откуда же мы тогда знаем, что оно существует? Поместим в одной точке положительно заряженную частицу, чтобы впоследствии наблюдать, с какой силой и в каком направлении ее тянет. Если поместить положительный заряд рядом с отрицательно заряженным шариком, который потерли о волосы, то мы увидим, что он притягивается прямо к шарику. Направление заряда можно использовать для определения направления электрического поля. Кроме того, видно, что сила притяжения, а значит, и поле тем сильнее, чем меньше расстояние между положительным зарядом и воздушным шаром.
Как уже упоминалось, свет и все другие формы видимости существуют благодаря электрическим и магнитным полям. Однако электрическое поле вокруг воздушного шара невидимо. Чтобы поля были видны, они должны начать раскачиваться назад и вперед и создавать волны. И как этого добиться?
Допустим, вам удалось взять в руку один электрон. Представьте, что вы держите его на расстоянии вытянутой руки, на уровне глаз. Потом вы начинаете раскачивать электрон вверх и вниз, очень быстро. Что тогда будет с электрическим полем?
Давайте посмотрим на электрическое поле в том месте, где изначально находился электрон, прямо перед вашими глазами. Когда вы перемещаете электрон выше, электрическое поле будет направлено вверх, к электрону. Когда электрон перемещается ниже уровня глаз, поле будет направлено вниз. Встряхивание электрона создаст поле, направленное попеременно то вверх, то вниз.
Похоже на ситуацию на озере Мьёса? Надувной мяч нырял и выныривал, а на воде появлялись волны. Теперь электрон ныряет и выныривает и мы получаем волны в электрическом поле. И не только. Мы уже знаем, что электричество порождает магнетизм и наоборот. В случае со встряхнутым электроном волны электрического поля также будут формировать волны магнитного поля. В итоге мы получили то, что принято называть электромагнитной волной, и она движется в пространстве со скоростью света.
Впервые электромагнитные волны описал шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл. В 1860-х годах он обобщил все, что мы знали об электричестве и магнетизме, в виде набора математических уравнений, которые сегодня мы называем уравнениями Максвелла. В уравнения были включены уже известные законы, показывающие, как электричество преобразуется в магнетизм и наоборот. Основываясь на этих уравнениях, Максвелл доказал существование электромагнитных волн и рассчитал, что они будут двигаться в пространстве со скоростью, почти полностью соответствующей скорости света. Вот к какому выводу он пришел:
Соответствие между результатами указывает на то, что свет и магнетизм являются проявлениями одного и того же вещества и что свет – это электромагнитная помеха, которая распространяется через поле в соответствии с электромагнитными законами.
Иначе говоря, электромагнитные волны и свет – это одно и то же. Получается, при встряхивании электрон тоже будет излучать свет. Но того, что свет излучается, недостаточно. Глаз должен обладать способностью воспринимать этот свет. Каким образом это происходит?
И снова на ум приходит надувной мячик и волны на озере Мьёса. Эти волны заставляли надувной мяч вашего друга раскачиваться вверх-вниз. Электромагнитная волна, исходящая от встряхнутого электрона, ничем не отличается от волны обычной. Через несколько наносекунд после того, как электрон испускает световую волну, часть света достигает ваших глаз. Поскольку глаз состоит из обычного вещества, он содержит электрические заряды. Когда световые волны, таящиеся в раскачивающемся вверх-вниз электрическом поле, достигают ваших глаз, электрические заряды в глазу тоже начинают двигаться вверх-вниз. А это в свою очередь уже отправит в ваш мозг электрический сигнал об обнаружении света.
Подведем итоги: если объект содержит электрические заряды, он может излучать и улавливать электромагнитные волны. И наоборот, объект, не содержащий электрических зарядов, не излучает электромагнитные волны и не улавливает их. Электрические заряды, благодаря которым состоящие из обычного вещества объекты сталкиваются, также делают эти же объекты видимыми. Электрические заряды отвечают как за свет, так и за столкновения. Именно электрические заряды делают обычную материю обычной.
2.12. Реликтовое излучение
Когда раскачивающиеся электрические заряды излучили свет, тот может путешествовать бесконечно долго. Существуют электромагнитные волны, странствующие по Вселенной с самого ее рождения. Такие волны дальнего плавания называют реликтовым излучением, или космическим микроволновым фоновым излучением. Это очень важное излучение. Осмелюсь даже утверждать, что на сегодня это наш самый важный источник знаний о Вселенной. Если бы у нас не было кривых вращения Рубин, скоплений галактик Цвикки, гравитационных линз или любого другого признака темной материи, космическое фоновое излучение все же дало бы нам более чем достаточно оснований для выводов о существовании темной материи и о том, что ее гораздо больше, чем материи обычной. Кроме того, это микроволновое излучение говорит нам гораздо больше, например, о том, что Вселенная началась с Большого взрыва.
Настало время реликтовому излучению предстать перед нами во всем своем электромагнитном великолепии. Начать историю о реликтовом излучении можно по-разному. Но мы перенесемся на 50 лет назад и перелетим на другой берег Атлантики.
Когда Большой взрыв добрался до вершины холма в Нью-Джерси
1964 год, мы находимся в Соединенных Штатах, а именно в Холмдейле, немного южнее Нью-Йорка. США вот-вот упадут к ногам четверых относительно смазливых англичан, а такие беззаботные песни о любви, как I Want to Hold Your Hand и Can’t Buy Me Love, заставят американскую молодежь подпевать и танцевать твист.
На юг летят два голубя. Кажется, они стремятся к какой-то цели, и, если проследить за ними, мы увидим, что птицы начинают кружить над небольшой, заросшей травой вершиной холма Кроуфорд-Хилл. На вершине возвышается огромное устройство в форме рупора. Рупор размером с дом и похож на гигантский рог из фантастического фильма: «БАМ, БА-AM! Дракон идет!» – как-то так. Но нет. Это устройство – сверхчувствительная рупорная антенна, и принадлежит она лаборатории Белла (исследовательскому центру Bell Labs) в паре километров отсюда. До недавнего времени в рупоре жили эти два голубя. Там они свили гнездо и собрались создать воркующую голубиную семью. Но это было до того, как появились два молодых астрофизика – Арно Пензиас и Роберт Уилсон.
Изначально рупорная антенна была построена в рамках крупного проекта по тестированию первых, примитивных спутников связи, но впоследствии ее исключили из этого проекта и Пензиасу и Уилсону разрешили использовать антенну для самого прекрасного, что только есть на этом свете, – изучения астрономии.
Два астронома собирались осуществить исключительно точные измерения радиоизлучения далеких галактик. Для этого им сначала нужно было получить полный обзор всех возможных других источников радиопомех, а также ознакомиться с шумом и помехами от антенны и измерительных приборов. FM-радио, настроенное на конкретную волну, всегда дает небольшой фоновый шум, и совершенно так же астрономические приборы всегда обнаруживают шум как рождающийся внутри прибора, так и приходящий из окружающей среды.
Рупорная антенна в Кроуфорд-Хилл. Пензиас и Уилсон позируют на платформе.
Будучи амбициозными, Пензиас и Уилсон хотели в своих наблюдениях достичь небывалой прежде точности и поэтому стремились получить как можно больше данных об источниках шума. Однако к великому отчаянию молодых радиоастрономов, рупорная антенна постоянно улавливала слабый и, казалось бы, необъяснимый шум. Пензиас и Уилсон направляли антенну в самые разные стороны, даже к Нью-Йорку, чтобы посмотреть, не виноват ли большой город в радиопомехах. Несколько раз проверяли они все провода и соединения. Но тщетно. Шум не исчезал.
Тогда они и наткнулись на угнездившуюся в антенне голубиную парочку. Голуби не только свили гнездо, но еще и загадили конструкцию тем, что Пензиас впоследствии описал как «белое вещество-диэлектрик». Могли ли голуби стать причиной необъяснимых слабых радиопомех? Может, они и были своего рода вредителями и простое присутствие их паршивых перьев и остатков жизнедеятельности привело к шуму, угрожающему заглушить четкие радиосигналы далеких галактик? Как бы то ни было, голубей требовалось устранить. Их аккуратно депортировали в другую исследовательскую лабораторию в 50 километрах к северу от Кроуфорд-Хилл, где антенна блестела от чистоты. Но голуби сделали нечто очень им свойственное: полетели на юг, к своему старому дому, над домами и ритмами «Битлз», обогнули рупорную антенну на Кроуфорд-Хилле и пошли на посадку. Вскоре после этого Пензиас в одиночку устранил голубей из истории.
Так или иначе, голуби исчезли, чего нельзя сказать о нескончаемых необъяснимых радиопомехах. После года безрезультатных усилий ученые отказались от поиска известных источников докучающего сигнала. Становилось все более очевидным, что раздражающий шум имеет источник скорее астрономический, чем биологический. Напрашивался неизбежный вывод: что-то должно посылать непрерывный поток слабых-слабых радиоволн со всех уголков неба. Позже выяснилось, что это был Большой взрыв: расширение Вселенной, ее рождение. Они улавливали не голубиный помет, а реликтовое излучение.
Я уделяю так много внимания реликтовому излучению нс только потому, что оно чрезвычайно важно для нашего понимания Вселенной (совсем скоро расскажу, почему именно). Находка Пензиаса и Уилсона – красивый пример блистательного научного открытия, и на то есть несколько причин. Причина первая: ученые открыли то, чего и не искали. И это невероятно сложно, учитывая, что сигнал был совсем слабым. Причина вторая: гипотезы существования реликтового излучения уже существовали, но Пензиас и Уилсон об этом не знали. Более того, измеренное ими излучение было логически необходимым и неизбежным следствием существования Вселенной, возникшей в результате Большого взрыва.
Но почему? Тут нужен небольшой экскурс к самому рождению Вселенной.
Молодая, горячая и расширяющаяся Вселенная
На сегодняшний день практически все астрономы согласны, что концепция Большого взрыва – лучшее описание Вселенной. Грубо говоря, модель Большого взрыва гласит, что около 14 миллиардов лет назад наша Вселенная была невероятно плотной и горячей, но с тех пор расширилась и стала больше и холоднее. Если мы переместимся достаточно далеко назад во времени, поближе к Большому взрыву, то увидим Вселенную, в которой настолько жарко, что и представить невозможно, намного горячее, чем в центре Солнца. Но когда нечто является горячим, или обладает высокой температурой, – что это на самом деле значит?
Возьмем в качестве примера горячего предмета электроплиту. Она состоит из атомов и молекул. Эти атомы и молекулы никогда не стоят на месте – они вибрируют. Если включить плиту, то температура поднимется. Тот факт, что температура повышается, просто означает, что атомы и молекулы начинают вибрировать немного сильнее. Чем выше температура, тем активнее вибрация. Очевидно, что атомы и молекулы в электроплите состоят из обычного вещества и содержат электрические заряды.
И когда электрические заряды вибрируют, они излучают электромагнитные волны. Чем выше температура, тем быстрее вибрация. Чем быстрее вибрация, тем короче электромагнитные волны. Холодная плита излучает волны в инфракрасной части спектра, то есть волны, чересчур длинные для восприятия нашими глазами. Но, если вы нагреете плиту достаточно сильно, она начнет светиться красным. Горячие массивные атомы и молекулы станут излучать больше коротковолнового видимого света. И если вам удастся нагреть плиту еще сильнее, то в конечном итоге она будет излучать голубоватый свет, то есть еще более короткие волны. Впрочем, тут полагается сказать: «Трюк выполнен профессионалами, не пытайтесь повторить это дома».
Так что давайте вместо поджога кухни проведем небольшой мысленный эксперимент. Представим, что мы бензопилой отрезали от плиты конфорку и отправили ее на машине времени назад к рождению Вселенной. Сегодняшняя Вселенная холодная, и плита в свободном плавании излучала бы длинные микроволны. Но по мере приближения к Большому взрыву температура будет расти. Во Вселенной, которой около полумиллиона лет, плита станет такой же раскаленной докрасна, как в довольно рискованном эксперименте на кухне. Если мы отправим электроплиту еще дальше, то она совсем скоро посинеет от температур и испарится, превратившись в газ. В какой-то момент температура будет настолько высокой, что атомы, когда-то образовывав шие плиту, растворятся. Положительно заряженные ядра атома больше не смогут удерживать электроны. И каждый раз при попытке электрона образовать пару с ядром атома для создания нейтрально заряженного атома короткая вспыльчивая электромагнитная волна вмешивается и отбрасывает электрон в сторону.
Газ, в котором электроны и ядра атомов больше не взаимодействуют, называется плазмой. Первые 380 000 лет после Большого взрыва наша Вселенная состояла именно из такой теплой плазмы. Тогда ядра атомов наполняли легчайшие из существующих элементов: водород и гелий. Большинство других элементов вокруг нас, таких как кислород, углерод, азот и железо, образовались позже, в ядерных реакциях в звездах. Но в течение первых 380 000 лет не было ни звезд, ни галактик, ни даже атомов – только теплый суп из плазмы, а варились в нем электроны и ядра водорода и гелия.
(Первые три минуты было так жарко, что не могли существовать даже ядра атомов. Но мы вернемся к этому позже.)
Такая плазма ведет себя абсолютно не как газ. В плазме электроны в свободном плавании захватывают любую электромагнитную волну, которая пытается каким-то образом хоть куда-то пройти. Немного похоже на металлическую сетку на дверце микроволновой печи. В металле есть электроны, способные свободно перемещаться, как в плазме. Таким образом, электроны в металлической решетке смогут захватывать микроволны, чтобы те не выбрались из печи, цапнув вас за нос, пока вы наблюдаете за лопающимся попкорном. Отверстия в микроволновке сделаны так, что пройти может только видимый свет, а более длинным микроволнам никак не выбраться. В плазме молодой Вселенной все электромагнитное излучение задерживалось электронами горячей плазмы. Итак, свет не мог распространяться свободно. Получается, первые 380 000 лет после Большого взрыва Вселенная была плотной и непрозрачной плазменной туманностью, а если точнее, первичной туманностью.
Но потом, спустя 380 000 лет, Вселенная охладилась достаточно для того, чтобы электроны получили возможность сливаться с ядрами атомов и образовывать стабильные изотопы. Исчезли свободные электроны, поглощавшие все электромагнитные волны. Туман рассеялся, и теперь ничто уже не стояло на пути у световых волн. Многие из этих электромагнитных волн и по сей день беспрепятственно путешествуют по Вселенной. Нас постоянно бомбардируют электромагнитные волны, образовавшиеся, когда Вселенной было всего 380 000 лет. Именно такие волны попадали в рупорную антенну в Холмдейле в 1964 году, независимо от того, куда поворачивали ее Пензиас и Уилсон. Это и было реликтовое излучение.
Если собрать реликтовое излучение со всех уголков неба, то мы увидим портрет Вселенной в младенчестве, когда ей было всего 380 000 лет.
Ну а если вы сегодня не в духе и заметите, что младенец, которому 380 000 лет – это ерунда какая-то, то не стоит забывать, что сейчас Вселенной около 14 миллиардов лет. Допустим, Вселенная сегодня – это седеющий пятидесятилетний человек. Реликтовое излучение сформировалось, когда сегодняшнему пятидесятилетнему человеку исполнилось полдня. Ну а теперь-то Вселенная уж точно не младенец.
Совсем запутались? Не вы один. С тем, что реликтовое излучение образовалось через 380 000 лет после Большого взрыва, когда первичная туманность рассеялась, мы разобрались. Возникает другой вопрос: почему это излучение доходит до нас еще и сегодня, спустя столько лет? И почему со всех сторон?
Телескопы и машины времени
Ответ на первый вопрос, почему излучение доходит до нас сегодня, заключается в том, что, наблюдая за Вселенной, мы будто мчимся на огромной машине времени. Эффект машины времени возникает из-за того, что свет, о котором идет речь, движется не бесконечно быстро. Ему требуется восемь минут, чтобы добраться от Солнца до нас, поэтому, если мы посмотрим на Солнце (не стоит, это опасно для глаз!), мы увидим Солнце таким, каким оно было восемь минут назад. Перемещаемся на восемь минут назад! Когда мы смотрим на галактику Андромеды, мы смотрим на то, что было 2,5 миллиона лет назад. Когда Фриц Цвикки посмотрел на галактики в скоплении Кома, он увидел свет, излучавшийся 300 миллионов лет назад.
Самые отдаленные из известных нам галактик расположены настолько далеко, что, вероятно, нам транслируется изображение с момента, когда Вселенной было меньше миллиарда лет. Получается, мы перемещаемся назад на 13 миллиардов лет. Что мы увидим, если попытаемся заглянуть еще дальше в прошлое? Ничего, совсем ничего. Если заглянуть в самую глубь Вселенной, то мы окажемся в настолько далеком прошлом, что тогда и галактик еще не было. Кругом пустота. Но если посмотреть еще дальше, кое-что все же произойдет: мы внезапно наткнемся на стену электромагнитного излучения, реликтового излучения, край поверхности последнего рассеивания, образ Вселенной в младенчестве. Сталкиваясь с реликтовым излучением, мы видим части космоса, которые настолько далеки, что электромагнитные волны едва успели достичь нас за время, прошедшее с момента рассеяния первичной туманности. И некоторые из этих волн достигают астрономических приборов, позволяющих их измерить и нанести на карту Вселенной-младенца.
Большой взрыв повсюду
Почему же реликтовое излучение доходит до нас равномерно со всех сторон? Совершить путешествие на машине времени прямо к Большому взрыву – это, конечно, круто, но разве излучение не должно исходить из одной конкретной части неба по направлению к самому взрыву?
Этот очевидный парадокс решается просто: Большой взрыв произошел не в какой-то одной определенной точке. Это не взрыв с четким центром, из которого, как искры новогодней петарды, разлетелись газ и галактики. Большой взрыв не был взрывом в пространстве, это было взрывное расширение пространства. Нечто происходящее одновременно повсеместно.
Расширение пространства? Именно так. После того как Альберт Эйнштейн просветил человечество своей общей теорией относительности в 1915 году, пришлось свыкнуться с тем, что пространство необязательно должно выглядеть как неизменный тетрадный лист.
(Более основательно мы поговорим об общей теории относительности позднее, уже в главе о темной энергии.)
Ученый показал, что пространство может изгибаться и растягиваться, как крутой парень на занятиях йоги, и именно такие характеристики пространства делают возможным одновременно-повсеместный Большой взрыв.
«А что, если бы мир был воздушным шаром?» – поет норвежская исполнительница Май Бритт Андерсен. Не знаю, думал ли автор текста Тронд Брюнн о Вселенной, когда писал строки песни, но не стану полностью исключать такого расклада. Вспомним, что благодаря пластичности пространства астрономы уже много лет предпочитают использовать воздушные шары чуть ли не как учебное пособие. Представим, что Вселенная – это двумерная поверхность воздушного шара. Если наш шар достаточно эластичный, то сначала он мог бы быть крошечным, совсем малюсеньким. А потом по какой-то причине начал надуваться – ив итоге расширился.
Теперь возникает вопрос: где же во Вселенной – воздушном шаре произошел Большой взрыв? В каком месте шар начал расширяться? Вот именно – везде. Одновременно. И если вы находитесь где-то прямо на воздушном шаре и смотрите в любую сторону, то вы заглянете и в прошлое. А если вглядываться в самую даль, то увидите и излучение от Большого взрыва независимо от того, в каком направлении смотрите.
У аналогии с воздушным шаром и у путеводителя по Северной Корее один недостаток: они демонстрируют что-то очень интересное, но в то же время скрывают кое-что крайне важное. Например, Вселенная воздушного шара двумерная, но расширяется в трехмерное пространство, где поверхность шара остается прежней. Вселенная, как мы ее видим, определенно имеет три измерения, и поэтому все дело Большого взрыва не так просто визуализировать. Тем не менее принцип расширения пространства остается прежним: Большой взрыв случился повсюду. Взрыв не располагался в определенном месте пространства, а представлял собой расширение самого пространства, и происходило оно одновременно везде. Таким образом, мы также можем разглядеть следы Большого взрыва, то есть реликтовое излучение, во всех возможных направлениях. Главное – заглянуть достаточно далеко в космос.
Почему реликтовое излучение такое холодное?
Да, ведь оно холодное, излучение Вселенной-младенца, открытое Пензиасом и Уилсоном! Я объяснял ранее (приводя в пример плиту), что высокая температура дает короткие волны, а низкая – длинные. Пензиас и Уилсон обнаружили волны в микроволновой части электромагнитного спектра. И эти волны намного длиннее видимого света. Но когда образовалось реликтовое излучение, было жарко – на самом деле, выше 2500 °C. При таких температурах атомы во Вселенной должны двигаться невероятно быстро, что привело бы к образованию большого количества видимого света. Тем не менее ночное небо заполнено не видимыми световыми волнами от Большого взрыва (это было бы что-то!), а не менее чем в тысячу раз более длинными микроволнами. Почему? Потому что Вселенная неплохо так расширилась с момента образования реликтового излучения.
Световые волны распространяются по расширяющейся Вселенной точно также, как линии на воздушном шаре удлиняются во время надувания. Иллюстрация: Herb.
Давайте вернемся к нашей Вселенной – воздушному шару. Представьте себе, что нарисовали извилистую линию на ненадутом воздушном шаре. Потом вы начинаете его надувать. По мере расширения линия тоже будет увеличиваться вместе с резиной. Точно так же световые волны будут расширяться во время движения по расширяющейся Вселенной, потому что они проходят через пространство, которое постоянно расширяется. С момента образования реликтового излучения (380 000 лет после Большого взрыва) Вселенная так сильно растянулась, что первоначальное расстояние между двумя точками в космосе увеличилось более чем в 1000 раз. Таким образом, электромагнитные волны, которые когда-то были видимым светом, превратились в тусклые микроволны, для обнаружения которых нужны американские рупорные антенны или другие приборы.
Это свойство электромагнитных волн, растягивающихся вместе с расширением Вселенной, очень похоже на эффект Доплера, который мы рассматривали ранее. При эффекте Доплера длина электромагнитных волн также меняется, однако все зависит от скорости объекта в пространстве, а не расширения самого пространства.
Научная «Санта-Барбара»
Вернемся к Холмдейлу, проблемам с голубями и астрономам Пензиасу и Уилсону, ставшими впоследствии лауреатами Нобелевской премии. Даже не подозревая об этом, они были первыми людьми, обнаружившими излучение младенческой стадии Вселенной.
Оглядываясь назад, мы, скорее всего, удивимся: надо же, два незаурядных астронома не поняли, что надоедливое жужжание в радиотелескопе было логическим следствием Большого взрыва. Тем более что существование реликтового излучения было теоретически предсказано шестнадцатью годами ранее молодыми физиками Ральфом Альфером и Робертом Херманом. Они даже опубликовали предсказание в виде небольшой заметки в очень популярном в то время журнале Nature в 1948 году.
Предсказание Альфера и Хермана забыли или не восприняли всерьез (а может, и то и другое) по нескольким причинам. Многим, наверное, казалось чрезмерно самонадеянным применять законы физики к чему-то столь масштабному и гипотетическому, как рождение Вселенной. В то время в некоторых научных кругах к космологии – науке, занимающейся изучением Вселенной, – относились как к никчемному приложению астрономии. К тому же Альфер и Херман были молоды и сотрудничали с блестящим, но несколько экстравагантным физиком Георгием Гамовым (он еще и научно-популярные стишки писал) – и, возможно, революционное предсказание отчасти сбросили со счетов из-за этого тоже.
В любом случае, пока Пензиас и Уилсон чесали затылки, новая группа физиков вышла на след реликтового излучения. В 1964 году, тогда же, когда Пензиас и Уилсон мучились от радиошума, американский физик Роберт Дикке тоже предсказал существование реликтового излучения, совершенно независимо от работ Альфера и Хермана. Дикке объединился с двумя коллегами из Принстонского университета, и они постепенно начали разработку радиооборудования для обнаружения реликтового излучения.
