Маленькая книга о Большом взрыве

Второй важный, и, можно сказать, волнующий вывод – следствием горячей ранней Вселенной является то, что повышение температуры не прекращалось. В момент зарождения Вселенной, буквально через секунду после Большого взрыва, температура должна была находиться на уровне около 10 млрд °С, а непосредственно в момент взрыва должна была стремиться к бесконечности. В физике появление бесконечности – это, как правило, плохой знак. Как и бесконечная скорость, на которой мы остановились в 4-й главе, бесконечно высокая температура выражает собой то, что принято называть сингулярностью Большого взрыва (в последующих главах мы будем возвращаться к ней все чаще и чаще). Нужно понимать, что, если в самый начальный, нулевой момент времени сингулярность действительно имела место, это делает всю теорию Большого взрыва совершенно несостоятельной. Манипуляции с категорией бесконечности не имеют смысла, как и деление на ноль: если в решении уравнения появляется бесконечность, то оно теряет смысл. Поэтому, говоря о Вселенной, космологи ориентируются на период, последовавший сразу за сингулярностью, когда поведение Вселенной становится пусть и не совсем объяснимым, но хотя бы более-менее логичным.

* * *

Третий вывод касательно раннего, горячего периода существования Вселенной заключается в том, что CMBR появилось не в сам момент взрыва, а уже после него.

Около 3/4 массы видимой нами Вселенной – это атомы водорода – простейшего химического элемента, состоящего из протона и вращающегося вокруг него электрона. Поскольку электроны и протоны несут в себе равные и противоположные электрические заряды, атом водорода нейтрален.

Атом водорода просто не мог существовать в условиях, когда наша наблюдаемая Вселенная была как минимум в тысячи раз меньше, чем сейчас: температура в ней была слишком высока, в результате чего перегретые электроны отсоединялись бы от протонов. Другими словами, мощная энергия фотонов ионизировала бы атомы водорода, начисто вышибая из них электроны. Среду, получающуюся в результате разлучения электронов и протонов, принято называть плазмой.

Оказавшись в плазме, фотоны не могут далеко уйти, моментально сталкиваясь с электронами и рассеиваясь. Чтобы лучше представить себе этот процесс, вспомните, что происходит, если направить фонарь на плотную стену тумана: луч фонаря рассеивается во всех направлениях, и в результате вы видите лишь то, что находится рядом с вами. В похожую ловушку свет попадал и в ранней Вселенной, когда энергия фотонов ионизировала атомы водорода. Лишь когда температура опустилась приблизительно до 3000 °С, плазма охладилась достаточно, чтобы находящиеся в ней электроны прикрепились к протонам, сформировав нейтральный водород. И поскольку свет в принципе слабо взаимодействует с нейтральными атомами, начиная с этого времени (которое почему-то было названо эпохой рекомбинации, что довольно странно, поскольку никакой рекомбинации не было) свет от Большого взрыва беспрепятственно распространился по всей Вселенной.

Теперь мы знаем, что CMBR в известном нам виде родилось в эпоху рекомбинации[16], то есть, согласно довольно точным современным подсчетам, 380 тыс. лет спустя после Большого взрыва. Поскольку до этих пор Вселенная была непроницаема для света, мы и не можем при помощи обычного света увидеть, что происходило в ней до появления космического микроволнового радиационного фона. Хорошенько запомните термин «рекомбинация».

При открытии CMBR космологов больше всего поразила его однородность: температура, или, другими словами, интенсивность излучения, во всех направлениях была абсолютно одинакова. В целом и сами галактики, если рассматривать их в достаточно крупных масштабах, распределены по Вселенной более или менее равномерно. Объединив все результаты наблюдений, мы можем прийти к тому, что принято называть космологическим принципом: космос оказывается однородным, если рассматривать его в достаточно крупном масштабе.

Однородная природа CMBR подтвердила верность космологического принципа, после чего он занял прочное место в следующей версии стандартной космологической модели – модели, согласно которой Вселенная образовалась в результате Большого взрыва, и взрыв этот был полностью однороден. Такая картина мира кажется примитивной. Тем не менее она сохраняет за собой много достоинств, главное из которых мы сейчас и обсудим.