Большой взрыв

первые мгновения вселенной. Что­бы воссоздать историю Вселенной, особенно в самые первые ее мгнове­ния, астрономы прибегли к физике эле­ментарных частиц. Эта область науки изучает основные составляющие материи, не только протоны, нейтроны и электроны, но и частицы с более «экзотическими» на­званиями, такие, как мезоны, бозоны, нейтрино и т. д., некоторые из них существуют лишь короткие мгновения внутри ускорителя частиц, в котором можно воссоздать, хотя бы ча­стично, условия, которые были в первоначальной Вселенной.

К несчастью, научные знания, которыми мы сегодня располагаем, не позволяют проник­нуть в то мгновение, когда произошел Большой взрыв, а также уловить ту долю секунды, которая была до «нуля». Законы физики не в состоянии обьяснить, что произошло в мо­мент между Большим взрывом и 10^-43 секунды (этот кратчайший период называется вре­менем Планка), как, впрочем, не в состоянии создать и теорию самого Большого взрыва. В мгновение 10^-43 с Вселенная была удивительно маленькой, горячей и плотной. В следу­ющую долю секунды она сильно переменилась: начала быстро расширяться из бесконеч­но малых размеров до размеров грейпфрута. Из-за столь быстрого расширения, извест­ного как «вздутие» (см. с. 1 88), Вселенная начала выделять в совокупности энергию и эле­ментарные частицы, такие, как кварки и антикварки.

До того момента, когда Вселенная прожила десятитысячную долю секунды, из кварков шел процесс образования протонов и нейтронов — частиц, из которых состоят ядра атомов.

ПОСЛЕ БОЛЬШОГО ВЗРЫВА. Через секунду после Большого взрыва температура снизи­лась до 10 млрд. градусов; во Вселенной преобладали излучение и такие легкие частицы, как электроны и их античастицы, позитроны. Антиматерия похожа на обычную материю с той только разницей, что частицы антиматерии имеют противоположный частицам обыч­ной материи заряд, когда они встречаются, они тут же взаимоуничтожаются (это явление называется аннигиляцией), выделяя энергию. Это происходит и с парой электрон — пози­трон, которые аннигилируют, образуя два гамма-кванта. Тем не менее после этой фазы должен образоваться избыток материи по сравнению с антиматерией, потому что все, что мы сегодня наблюдаем во Вселенной, состоит из материи, а антиматерия отсутствует. Чуть больше, чем через минуту после Большого взрыва протоны и нейтроны начали со­единяться между собой, образуя ядра гелия, состоящие из двух протонов и двух нейтро­нов. Большая часть ядер гелия, существующих на сегодняшний день во Вселенной, обра­зовалась в первую четверть часа после первоначального взрыва.

В последующие 300 000 лет значительных изменений не происходило. Значительное из­менение произошло, когда Вселенная, расширившись, остыла до температуры 3300 °С. С этого момента электроны стали соединяться с ядрами водорода и гелия, образуя пер­вые атомы. То есть произошло своего рода рассредоточение космического облака, и впервые Вселенная стала прозрачна для света.

Остальное — «новейшая» история. В следующие миллионы лет материи стало прибав­ляться из-за силы притяжения, и приблизительно через миллиард лет после Большого взрыва начали образовываться первые звезды и первые галактики, которые сегодня, че­рез 12—14 млрд. лет после Большого взрыва, мы наблюдаем как эволюционирующие объекты.

ТЕОРИИ, АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ТЕОРИИ БОЛЬШОГО ВЗРЫВА. Кроме теории Большого взрыва, развивались и другие космологические модели, объясняющие происхождение Вселенной. Наиболее известная из них — теория Стационарной Вселенной, предложенная в 1948 году Германом Бонди, Томасом Голдом и Фредом Хойлом, согласно которой галактики удаляются друг от друга по закону Хаббла, но пространство между двумя галактиками ос­тается в среднем таким же, так что в целом Вселенная неподвижна. Эта теория предпола­гает, что в искривленных пространствах, оставшихся от галактик, образуется такое бес­конечное количество новых, чтобы поддерживать в стационарном состоянии галактиче­скую популяцию. Согласно так называемому совершенному космологическому принципу Вселенная в среднем однородна как в пространстве, так и во времени и не развивалась из «нулевой» точки.

Такой процесс бесконечного образования материи несовместим с современными закона­ми физики, хотя ритм предположительного образования столь незначительный, что его тру­дно воссоздать в лабораторных условиях. На количественном уровне возникает вопрос по­явления из ничего атома водорода 8 каждом кубическом дециметре раз в миллиард лет. Наблюдая за Вселенной на микроволновом уровне, было открыто, что во все стороны идет достаточно однородное излучение, известное как радиационный космический фон. Космоло­ги объясняют его как эхо Большого взрыва, но для этого еще нужны основательные доказа­тельства.

ОТКРЫТИЯ. В 1948 году американский физик русского происхождения Джордж Гамов и его молодые коллеги Ральф Эльфер и Роберт Гер­ман выдвинули теорию, что Вселенная возник­ла 10—20 млрд. лет назад при очень высоких температуре и плотности, как и предполагает теория Большого взрыва, тогда расширение должно охладить излучение до 5 градусов выше абсолютного нуля (-273,15 °С), а его спектр будет выглядеть как спектр «черного тела», то есть аналогично излучению люоого тела, нахо­дящегося в полном термическом равновесии пои данной температуре. при данной температуре.

Любопытно, что это излучение было открыто совершенно случайно в 1964 году, о чем на следующий год сообщили Арно Пензиас и Роберт Вильсон, работавшие в американской «Белл телефон лабораторис». Ученые вели работу с помощью антенны, построенной для связи с телекоммуникационными спутниками «Эко», когда неожиданно обнаружили фо­новый электрический шум, который непрерывно испускался во всех направлениях. Пона­чалу они подумали, что это помехи, наведенные близко расположенным передатчиком. Но проверка окрестных территорий не обнаружила ни одного источника микроволново­го излучения. Исследователи пришли к заключению, что причина шума в излучении, ви­димо, равномерно поступающем из космоса, а точнее — из далеких недр Вселенной от источника с реальной температурой около 3,5 °К, а длина волны составляет 7 ел. Тем­пература была выше теоретически ожидаемой, и поэтому исследователи не торопились с обнародованием своего открытия.

За открытие фонового космического излучения Пензиас и Вильсон получили в 1978 го­ду Нобелевскую премию в области физики вместе с группой астрономов Принстонского университета — Диком, Пибблзом, Роллом и Уилкинсом, которые в том же 1964 году за­нимались радиоастрономическими исследованиями, как раз пытаясь обнаружить излуче­ние.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ ФОНОВОГО КОСМИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ. Согласно теории Большого взрыва, когда температура первородной Вселенной опускается примерно до

Длина волны испущенного из­лучения сдвигается к красному с расширением Вселенной, по­ка не достигает диапазона мик­роволн. Поэтому температура излучения черного тела, обрат­но пропорциональная длине волны, уменьшается по дости­жении примерно 3 °К. Слабая вспышка излучения, на­блюдаемая сегодня, — это ин­формация о давно прошедших событиях, потому что свет из галактики вышел очень давно, когда возраст Вселенной со­ставлял 300 или 500 тысяч лет, а плотность была 1000 атомов на см³.

ХАРАКТЕРИСТИКИ. Пензиас И Вильсон открыли, что интенсив­ность излучения одинакова во всех направлениях с погрешно­стью в 3%. Такая однородность была присуща и первородной Вселенной. Одна ко нам известно, что Вселенная неоднородна: есть галактики и скопления галактик, расположенные вокруг огромных пустых «сфер».

Неоднородность Вселенной, наступившая по прс ва, должна наложить отпечаток и на фоновое излучение.

Поэтому, чтобы обнаружить действительную деформацию, самое главное — с особой точ­ностью измерить спектр этого излучения. Что­бы избежать искажения приходящей на землю волны сантиметрового диапазона, вносимого поглощением и испусканием излучения моле­кулами земной атмосферы, 18 ноября 1989 года НАСА запустило спутник «Кобе» [Cosmic microwave Background Explorer). Уже через 9 мин после запуска были получе­ны прекрасный спектр черного тела, никогда раньше не наблюдавшегося в природе, и еще одно подтверждение теории Большого взры­ва, потому что только в столь особых услови­ях космическое излучение может «преданно» следовать закону излучения черного тела. По­лученная погрешность составила 0,005%. Еще более интересное открытие было сдела­но в 1 992 году, когда на «Кобе» был помещен детектор. Наблюдались небольшие колебания по отношению к среднему излучению, равные почти сотой доле, которые соответствуют бо­лее горящей зоне. Обнаруженные колебания температуры составили порядка 0,000030° при средней температуре 2,73 °К. Согласно утверждениям космологов, такие флуктуации возникают во Вселенной из-за неоднородно­сти, приводящей впоследствии к образованию галактик. Для ее изучения разрабатываются и реализуются различные

задачи для спутников.

На трех рисунках изображены интенсивности излучения различных длин волн в зависимости от направления. Результаты получены спутником «Кобе».