На «машине времени» в даль пространства

Историки могут лишь завидовать астрономам. Кто из медиевистов или знатоков античности не мечтал перенестись в прошлое, чтобы увидеть свой предмет изучения воочию? У астрономов «машина времени» есть, и каждая новая ее модель переносит нас все дальше в глубь эпох.

Телескоп – это «машина времени», и ее «механизм» основан на том, что свет может распространяться лишь со скоростью 300 тысяч километров в секунду. Поэтому, когда мы вглядываемся в объект, удаленный от нас на 300 тысяч километров, мы видим его таким, каким он был секунду назад, то есть мы на секунду заглядываем в прошлое. Наше космическое «вчера» вновь и вновь оживает пред нашими глазами, все более удаляясь от нас. Даль пространства становится далью времен.

Заглядывая в глубь Вселенной, мы можем, в конце концов, увидеть мироздание таким, каким оно было вскоре после Большого Взрыва! В самом начале Вселенная была раскаленной и непрозрачной. Она представляла собой плотную плазму, в которой частицы света – фотоны – постоянно сталкивались с частицами вещества. Лишь когда Вселенная «остыла» до 3000 Кельвинов (ей было тогда 380 тысяч лет от роду) произошла «рекомбинация»: электроны и протоны объединились в атомы водорода. Теперь вещество утратило способность захватывать фотоны. В «безвидном» прежде мире вдруг, как по библейскому сценарию, вспыхнул свет. Этот «первородный» свет, теперь остывший до 2,7 Кельвинов, навсегда остался в глубинах мироздания. Он получил название космического фонового, или реликтового, излучения. Его существование предсказал в 1948 году великий российский физик Г.А. Гамов, эмигрировавший на Запад. А само излучение обнаружили в 1965 году американские инженеры Арно Пензиас и Роберт Уилсон, удостоенные в 1978 году за это открытие Нобелевской премии.

Вспышка реликтового излучения высветила множество неоднородностей, возникших к тому времени в юной Вселенной. Это и были зародыши будущих галактик и галактических скоплений. Свет рассеивался на этих сгустках, терял свою энергию и слегка остывал. Расчеты показывали, что карта распределения реликтового излучения должна быть испещрена пятнышками – флуктуациями температуры (от лат. fluctuatio, «колебание»), которые выдавали картину распределения вещества в тогдашней Вселенной. Исследование этого излучения могло приоткрыть нам далекое прошлое мира, узнать о том, как шло становление Вселенной.

Однако чтобы увидеть мир «на заре туманной юности», требовалась особенно чувствительная аппаратура. В 1989 году на орбиту был выведен инфракрасный телескоп СОВЕ (Cosmic Background Explorer), благодаря чему через три года была составлена карта реликтового излучения. На ней явственно проступали небольшие, порядка 0,001 процента, различия температуры реликтового излучения, приходящего с разных направлений. Взглянув на открывшийся узор, руководитель проекта Джордж Смут сказал, что видит «морщины времени на лице Бога». Фраза стала крылатой, а эксперименты продолжились. Уж слишком много вопросов возникло у теоретиков.

Эпоха «космической инфляции»

С начала 1980‑х годов в теоретической космологии бурные споры вызывала гипотеза космической инфляции, которую предложил американский физик Алан Гут. Стремясь объяснить, как из «Ничто» произошло «Нечто», он разработал новую теорию происхождения Вселенной. По его гипотезе, за короткое время Вселенная стремительно – астрофизики говорят «экспоненциально» – расширилась. Скорость ее расширения превышала скорость света. Гут назвал этот феномен «космической инфляцией» (от лат. inflatio, «вздутие»). Данный процесс теоретики любят сравнивать с тем, как растягивается воздушный шарик, когда его пробуют надуть. Вот так же распирало тогда мироздание. На «инфляционной стадии» Вселенная расширилась в 10^{100 000 000}раз (десять в стомиллионной степени раз) и стала однородной и плоской.

^{В 1933 году Ирен и Фредерик Жолио‑Кюри впервые наблюдали, как элементарные частицы возникают из Ничто, повинуясь закону Эйнштейна: E = mcc}

В этом молниеносно возникшем «пузыре» скопилось неимоверное количество энергии. Когда же процесс «инфляции» прекратился, накопленная энергия высвободилась. По закону эквивалентности массы и энергии (вспомним знаменитую формулу Эйнштейна: E = mcc) последняя превратилась в вещество. Превращение произошло по законам квантовой физики, которые предполагают некоторую неопределенность. Это и привело к флуктуациям энергии – и значит, массы – в различных уголках Вселенной. Там, где плотность оказывалась выше средней, под действием гравитации скапливалось все больше вещества. Возникали скопления галактик.

Стремительное расширение Вселенной обусловило ее топологию. Очевидно, оно протекало в трех

направлениях. Они и стали «теми тремя измерениями, которые характеризуют сегодняшнюю Вселенную, – пишет на страницах журнала «Scientific American» физик Макс Тегмарк из Пенсильванского университета. – Шесть остальных сейчас нельзя обнаружить либо потому, что они остались микроскопическими, либо потому, что материя сосредоточена на трехмерной поверхности девятимерного пространства».

Немалый вклад в разработку «теории инфляции» внесли также советские ученые Алексей Старобинский, Андрей Линде и их зарубежные коллеги – Пол Стейнхардт и Андреас Альбрехт. Данная теория точно объясняет результаты многих наблюдений.

«Еще в 1970‑х годах космология – учение о Вселенной в целом – была наукой, в которой предположения преобладали над фактами, – писал американский астроном Майкл Стросс. – Сейчас космология обрела прочный теоретический фундамент, опирающийся на обширные данные систематических наблюдений».

Данные зонда СОВЕ блестяще подтвердили гипотезу Гута. Температура реликтового излучения колебалась, и эти колебания отражали неоднородность энергетического поля. Наличие сгустков вещества было предсказано. Вот только карта СОВЕ оказалась очень мутной, размытой. Мы словно пытались читать строки книги, отнесенной от нас на несколько метров. Приблизиться к этой «книге» стало важнейшей задачей космологии в девяностые годы XX века.