О том, что Вселенная бесконечна, люди догадывались уже давно. Ученые древности приводили убедительный, как им казалось, пример. Человек шел, шел и дошел до края Вселенной. Потом он вытянул руку и оказался за ее пределами. Но так как сам человек принадлежит Вселенной, значит, ее границы расширились на длину его вытянутой руки. Сделав шаг и достигнув новой границы, он снова может повторить эту операцию. И так сколько угодно. Значит, Вселенная безгранична.
Конечно, строго научным это доказательство назвать нельзя. Мы привели его здесь только для того, чтобы показать, что людей всегда интересовало: а что же дальше? Что находится за вытянутой рукой, за рекой и морем, за самой дальней звездой, за самой далекой галактикой.
Сегодня мы еще не знаем ответов на многие из этих вопросов. Но наука, изучающая Вселенную - космология - уже накопила множество фактов. Они позволяют ученым строить предположения и гипотезы, ставить новые вопросы.
В 1965 году было сделано открытие, значение которого для космологии очень велико. Но прежде чем рассказать об этом открытии, нужна одна оговорка. Мы будем в этом разделе часто употреблять термин "Вселенная". Под нужно понимать не всю безграничную в пространстве и во времени Вселенную, а только ту ее часть, которая доступна сегодняшним нашим методам научного исследования. Часто ее называют Мета галактикой. Конечно, границы Метагалактики будут раздвигаться с развитием науки, и мы все больше и больше будем узнавать о необъятной Вселенной в целом.
Так вот, в 1965 году два американских ученых исследовали радиопомехи на длины волны 7,3 сантиметра. Нужно было создать систему радиосвязи с искусственными спутниками именно на такой длине волны, а для этого необходимо знать, какие могут быть помехи.
Радиошумов на этой частоте оказалось много. Но ученые знали, откуда многие из них берутся. Вот радиоизлучение Солнца, а вот радиоизлучение такой-то звезды или такой-то галактики, - могли сказать они, - вот излучение самой Земли и ее многочисленных радиостанций. В общем, все эти шумы можно учесть и выяснить их происхождение.
Но приборы регистрировали еще один, совершенно непонятный радиошум, избавиться от которого оказалось невозможно. Он шел ниоткуда и отовсюду, был, как говорят, изотропным, то есть одинаковым по всем направлениям. Величина его тоже все время была постоянной.
Буквально за год этого советские ученые Новиков И.Д. и Дорошкевич А.Г. подсчитали, какое радиоизлучение могут дать все радиозвезды и радиогалактики. У них получилось, что минимум излучения приходится на диапазон от 0,1 до 30 сантиметров, который они и рекомендовали остальным ученым исследовать более тщательно.
Именно в этот диапазон и попал радиошум, открытый американцами. Этот шум был очень странным. Во-первых, его нельзя было "привязать" ни к одному объекту, то есть точно указать источник излучения. Во-вторых, он не изменялся со временем - не слабел и не усиливался. В-третьих, интенсивность его была настолько велика, что ничем нельзя объяснить это явление. Оставалось предположить только одно - излучение имеет внегалактическое происхождение. Оно не связано ни с одним видимым или невидимым объектом, существует самостоятельно и принадлежит самой Вселенной. Оно осталось нам в наследство от невообразимо далеких эпох нашей Вселенной, когда не было не только Земли, но и звезд с галактиками. Открытое радиоизлучение так и назвали - реликтовым (реликт - явление, сохранившееся как остаток далекого прошлого).
Еще на полвека раньше, в 1917 году, гениальный создатель
общей теории относительности Альберт Эйнштейн попытался применить свою теорию к космологии. Чтобы решить задачу, Эйнштейн сделал одно предположение - Вселенная не изменяется со временем, она одна и та же всегда, вечно. Тогда такое утверждение казалось настолько естественным, что никому и в голову не приходило, что может быть иначе. К этому добавляли еще требование, чтобы Вселенная была однородной и обладала одинаковыми свойствами по всем направлениям. Эти три принципа - постоянство во времени, однородность и изотропность – назвали даже "совершенным космологическим принципом".
Первый сокрушительный удар по этой теории нанес советский математик Фридман А.А. В 1922 году он предсказал, что мир не может находиться в покое. По его теории он должен либо расширяться, либо сжиматься. Спустя семь лет гипотеза Фридмана была подтверждена экспериментально. Американский астроном Эдвин Хаббл заметил, что в спектре далеких галактик все линии смещены в красную сторону. Это явление хорошо объяснялось с помощью эффекта Доплера: если источник света движется относительно наблюдателя, то для этого наблюдателя длина волны (частота) изменяется. Причем если источник удаляется, свет "краснеет", а если приближается – "синеет".
Все галактики, которые наблюдал Хаббл, имели красное смещение. Значит, следовал вывод, все они удаляются от нас. Именно это и утверждал Фридман! Не нужно, конечно же, думать, что Земля - центр этого расширения. Если, к примеру, надувать мыльный пузырь, каждая точка на его поверхности будет центром расширения.
Итак, открытие внегалактического радиоизлучения, о котором мы говорили в начале раздела, помогает ответить на этот вопрос. Была высказана гипотеза, что в момент самого начала расширения (около 13,7 миллиарда лет назад) Вселенная представляла собой необычайно горячий и плотный сгусток. Плотность его была намного больше плотности вещества, состоящего только из атомных ядер, а температура - число с десятками нулей.
Из чего же состоял этот сгусток? Вещества в обычном понимании не было – была однородная очень горячая "каша" (плазма) из элементарных частиц, пронизанная световым излучением. Ведь при такой громадной температуре любое образование из элементарных частиц, скажем атомное ядро, моментально развалилось бы.
Начинается расширение. При расширении "растягивается, увеличивается любое расстояние (вспомните пример с мыльными пузырями). Увеличивается и длина волны квантов света. А она, как известно, обратно пропорциональна энергии кванта (чем "короче" квант, тем он "мощнее", и наоборот). Следовательно, энергия квантов при расширении уменьшается. А это значит, что температура плазмы уменьшается тоже. Вселенная остывает. Ученые подсчитали, что в момент времени, равный одной секунде после начла расширения (его принято именовать Большим Взрывом), температура была равна десяти миллиардам градусов. При такой температуре и огромной плотности существуют только кванты света (излучение) и пары легких частиц и античастиц - электронов и позитронов, нейтрино и антинейтрино, то есть в каком-то смысле "вещество". Есть также протоны и нейтроны, но их очень мало – примерно в миллиард раз меньше, чем квантов света. Более тяжелые частицы (а в момент начала расширения существовали все известные и неизвестные нам частицы) уже исчезли. Вещество и излучение находятся в температурном равновесии - их температуры одинаковы.
Продолжающееся расширение изменяет эту картину. Уменьшается плотность, уменьшается и температура. В период от одной до ста секунд начинают исчезать (аннигилировать) позитроны и электроны. Раньше было так "тесно" в этом сгустке, кванты и частицы сталкивались так часто, что, сколько позитронов и электронов "умирало", столько же их и "рождалось" в результате этих столкновений. А теперь стало "попросторнее", температура (а значит, и энергия) поменьше. Меньше стало и случаев рождения пар. Кванты остаются, их число не меняется и в дальнейшем. Количество нейтрино и антинейтрино тоже сохраняется. Ведь они носятся со скоростью света и встречаются друг с другом очень редко. Но их энергия все же уменьшается, они "остывают", так же как и кванты света.
С протонами и нейтронами происходит следующее. Нейтроны соединяются с протонами и образуют ядра тяжелого водорода - дейтерия. А дейтерий, в свою очередь, превращается в гелий. Расчеты показывают, что в результате этих реакций должно было получиться по весу 70% водорода (протонов) и 30% гелия. Все остальные, более тяжелые элементы образовывались гораздо позже, когда уже возникли звезды. Изучение распространенности химических элементов во Вселенной пока подтверждает эти выводы. Мы живем, таким образом, в водородно-гелиевой Вселенной.
Итак, закончился второй период развития Вселенной. Его называют периодом ядерных реакций. А расширение продолжается по-прежнему. Следующие три миллиона лет после периода ядерных реакций ничего особенно не меняют. Плотность уменьшается, температура падает. И все равно квантов так много, они еще так "горячи", что плотность излучения больше, чем плотность обычного вещества.
Пусть вас не смущает выражение "плотность излучения". Во-первых, вы знаете, что свет давит. А во-вторых, вам, вероятно, знакома знаменитая формула Эйнштейна
E=mc2. Согласно этой формуле теории относительности, энергии всегда соответствует определенная масса. Так, например, при температуре в миллиард градусов в одном кубическом сантиметре содержится 10 грамм излучения.
Само вещество (водород и гелий) находится в ионизированном состоянии, так как при низкой температуре электроны моментально "сдираются" с атомных оболочек. Существуют перемешанные в одной "каше", но свободно движущиеся, не связанные друг с другом электроны и атомные ядра водорода (протоны) и гелия (альфа-частицы). Никаких образований, похожих на звезды, не существует: излучение "расталкивает" вещество, не дает ему собраться под воздействием сил тяготения. Вещество и излучение имеют, несмотря на продолжающееся расширение, пока одинаковую температуру, находятся в тепловом равновесии.
И только по прошествии трех миллионов лет это равновесие нарушается. В этот период температура падает до 3,5 тысяч градусов, и становится достаточно "прохладно", чтобы ядра атома водорода - основного элемента Вселенной - захватывали электроны и вещество становилось нейтральным.
Только теперь может начаться образование звезд и галактик. Но первые небесные тела, которые очень сильно отличались от нынешних, возникли по-видимому, еще позже. Процессы развития этих празвезд остаются для нас пока еще неизученными. Как ни удивительно, мы лучше представляем себе, что происходило с нашей Вселенной через несколько секунд после начала расширения, чем несколько миллионов лет спустя.
Вернемся к празвездам. Можно предположить, что происходит примерно следующее. При их образовании выделяется колоссальная энергия, которая снова нагревает вокруг них уже успевшее остыть вещество. И нагревает сильно - до ста тысяч градусов. А излучение имеет в это время температуру всего около 40 градусов по Кельвину (на сегодняшний день, кстати говоря, температура излучения 3
oК, а еще через десять миллиардов лет она упадет до 2
oК). Но при ста тысячах градусов вещество снова ионизируется, и процесс его конденсации в звезды и галактики не может продолжаться. Возможно, часть вещества так и осталась до сих пор в виде горячего ионизированного межгалактического газа.
Вопрос о плотности вещества во Вселенной крайне важен. Расширение Вселенной, как мы уже отметили, является научно доказанным фактом. Но что из этого следует? Что будет дальше и что было до начала расширения? Есть несколько вариантов. Первый - расширение когда-то началось и никогда не закончится. Это так называемая фридмановская открытая модель Вселенной. Второй вариант - расширение замедляется, силы тяготения не дают ему продолжаться вечно, оно сменится сжатием. Это - закрытая модель. И третий случай - следующие друг за другом циклы сжатие-расширение (по подсчетам ученых радиус таких циклов должен возрастать со временем).
Тот факт, что сейчас происходит расширение, не позволяет выбрать с уверенностью какой-нибудь из перечисленных вариантов, как бы он нам ни нравился. Мы сможем сделать выбор модели, если рассчитаем какова сейчас средняя плотность вещества во Вселенной во всех его формах. Если она больше некоторой определенной плотности (ее называют критической плотностью, и, по современным данным, она равна 2,1 * 10
-29 г/см
3), то осуществляется закрытая модель или циклическая (иногда ее еще называют пульсирующей). Если современная плотность меньше критической, расширение будет продолжаться вечно, осуществляется открытая модель. Вот почему изучение всех форм вещества во Вселенной так важно. И работы здесь предстоит очень много.
