Маленькая книга о Большом взрыве

Интенсивность излучения – это объем энергии, проходящий через 1 см² каждую секунду. Как и интенсивность воды, бьющей из садового шланга, интенсивность излучения складывается из определенного количества частиц, проходящих сквозь 1 см² пространства за 1 секунду. Поскольку тепло по сути своей является электромагнитным излучением, а электромагнитное излучение – светом, частицами в данном случае выступают фотоны. Таким образом, сказать, что температура CMBR составляет 2,7 °С – все равно что сказать, что в каждом кубическом сантиметре межгалактического пространства в настоящее время содержится около четырехсот фотонов, оставшихся с момента Большого взрыва.

С самого своего открытия спектр CMBR измерялся много раз в ходе различных экспериментов, первый из которых воплотился в запуске спутника Cosmic Background Explorer (COBE), состоявшемся в 1989 году. Результаты эксперимента показали, что спектр CMBR совпадает со спектром абсолютного черного тела больше, чем любой другой спектр, зафиксированный когда-либо в истории цивилизации. Сегодня, в XXI веке, ни у кого не осталось сомнений, что CMBR представляет собой реликтовое излучение Большого взрыва.

* * *

Поскольку сам факт существования CMBR доказывает, что в прошлом температура Вселенной была выше, чем сейчас, его открытие стало последним гвоздем в крышке гроба сторонников стабильной Вселенной: они просто не смогли бы объяснить существование CMBR, продолжая верить, что Вселенная изначально пребывала в том же виде, в котором мы наблюдаем ее теперь.

Мы точно знаем, что температура в момент Большого взрыва была намного, намного выше, чем сейчас. Но поскольку Вселенная постоянно расширяется, плотность материи и, следовательно, излучения, производимого ею, продолжает постепенно снижаться. Это же наблюдение касается и плотности фотонов, которые раньше были значительно ближе друг к другу.

Мы также знаем, что в прошлом каждый фотон обладал большей энергией. Пока Вселенная расширяется, длина волны света, идущего из отдаленных ее областей, также растет, и он все сильнее смещается в красную часть спектра.

Это явление стало известно как космологическое красное смещение, хотя иногда его также называют космологическим допплеровским сдвигом, как это сделал я в главе 4. Покраснение света объясняется тем, что энергия фотонов постепенно снижается. Поскольку измерение температуры света – это, по сути, измерение уровня энергии фотонов, то получается, что в прошлом фотоны были горячее. Таким образом, когда Вселенная в видимых ее пределах была в два раза меньше, чем сейчас, температура в ней превышала нынешнюю в два раза.

* * *

Эти наблюдения позволили ученым сделать три важных вывода. Первый состоит в том, что в настоящее время плотность обычной материи во Вселенной составляет примерно 10^-30 г/см³, то есть приблизительно один атом водорода на 1 см³. В то же время формула E = mc² подсказывает, что четыреста фотонов в 1 см³ при температуре 3 °С создают плотность около 10^-34 г/см³. Это в десять тысяч раз меньше, чем плотность материи. Космолог, принимая во внимание и другие параметры, мог бы заявить, что в настоящий момент во Вселенной материя преобладает.

Но это не всегда было так. При движении назад, в прошлое, плотность частиц материи и фотонов будет увеличиваться с одинаковой скоростью – точно так же, как плотность мраморных шариков, помещенных под пресс. Энергия фотонов тоже будет возрастать. Значит, когда температура Вселенной была в тысячу раз выше, чем сейчас, и составляла, скажем, 30 000 °С, плотность энергии фотонов превышала плотность материи. Получается, что раньше, приблизительно в первые 50 тыс. лет после Большого взрыва, во Вселенной преобладало излучение. Другими словами, поведение Вселенной определяли свойства фотонов, а не материи (на следующей странице вы увидите, как это может выглядеть на графике). Скоро вы поймете, почему разница между Вселенной с преобладающим излучением и Вселенной с преобладающей материей столь важна.

Рис. 7