Маленькая книга о Большом взрыве

Чтобы разобраться в этом, мы обратимся к звуку, в данном случае – к звуку орга́на. Главная особенность церковного орга́на – ряды из сотен труб, различающихся по своей длине. Длина каждой трубы определяет издаваемый ею звук, а точнее – длину и частоту звуковой волны. Есть несколько разновидностей орга́нных труб, но сейчас нас интересуют те, что имеют отверстия и сверху, и снизу. Когда звуковая волна проходит по такой трубе, заставляя воздух сжиматься и разжижаться, давление в области отверстий должно оставаться таким же, как и в самом помещении. Именно это позволяет воздуху внутри трубы резонировать. Как показано на рис. 13 и 14, максимальная длина волны, при которой она может уместиться в полости трубы и при этом соответствовать вышеописанному требованию, может превышать длину трубы не более чем в два раза. Это основной тон или первая гармоника – нота, которую мы слышим.

Волна длиной, равной длине трубы, тоже создает резонанс, и поскольку ее длина составляет половину основной, частота ее колебаний оказывается вдвое выше. Эта волна известна как первый обертон или вторая гармоника. Третья гармоника, частота колебаний которой в три раза выше основной, тоже будет резонировать, как и прочие вслед за ней. В случае с каждой гармоникой, расстояние от максимума или минимума давления в трубе до ближайшего пика давления в помещении составляет одну четверть длины волны или одну четверть колебания.

В целом Вселенная – это все тот же орга́н.

Рис. 131

* * *

Конечно, если нарисовать график звуковой волны, производимой орга́ном, он будет намного сложнее простой синусоидальной волны, однако идеальная его версия будет напоминать волну, изображенную на графике слева на рис. 14.

Рис. 14

Наверное, вы уже поняли, что любая нота, сыгранная на музыкальном инструменте, состоит из основного тона и обертонов, возникающих на более высоких частотах, как показано на правом графике вверху. Математический метод, применяемый для разбивки ноты на обертоны, или гармоники, называется спектральным анализом. Разложив волну на гармоники, мы можем построить график, отражающий количество энергии на каждой частоте волны, как на рис. 15. Это и есть спектр звуковой волны – такой же, как у световых или тепловых волн. На графиках показан простой случай всего для трех гармоник.

Рис. 15

Ранняя Вселенная – самый грандиозный орга́н, который только можно представить. Запомните: температурные флуктуации космического микроволнового фона отражают флуктуации плотности материи в ранней Вселенной. Величина этих флуктуаций может разниться: детализированная карта, созданная при помощи космического телескопа на спутнике «Планк», показала, что некоторые флуктуации соответствуют более высокой плотности, чем другие, образуя спектр колебаний плотности, по форме совершенно аналогичный спектру звуковых колебаний, создаваемых трубами орга́на.

И на самом деле мы можем установить величину колебаний плотности на основе данных о частотных резонансах в ранней Вселенной. Представьте, что вскоре после Большого взрыва вся материя рассредоточилась по Вселенной равномерно. Она начала сжиматься, но давление света вызвало колебания. Эти колебания прекратились лишь в эпоху рекомбинации, когда фотоны отделились от барионов. Максимальное давление в орга́нной трубе отклоняется на четверть колебания от давления окружающей среды, то есть давления света в ранней Вселенной. Таким образом, фундаментальное колебание в ранней Вселенной – это колебание, которое дало шанс первичному сгустку сжаться один раз от исходного состояния до эпохи рекомбинации, когда колебания прекратились. Этот первый обертон сжался и расширился один раз. Второй обертон сжался один раз, расширился один раз, а затем еще раз сжался.

Вы можете возразить, что у орга́нной трубы есть физическая длина, а я рассуждаю здесь о времени – времени, прошедшем от Большого взрыва до начала рекомбинации. Но на самом деле временной интервал как раз и соответствовал длине. Под длиной в данном случае мы понимаем расстояние, которое с момента Большого взрыва и до эпохи рекомбинации успел пройти звук. Скорость этого «звука» равнялась приблизительно 0,6 c, что аналогично расстоянию в несколько сотен тысяч световых лет. Как и в случае с орга́нной трубой, фундаментальная длина волны флуктуаций в 4 раза превышала это расстояние (длина волны обертонов была соответственно меньше).

Вселенная расширилась примерно в тысячу раз с того момента, когда эти колебания отпечатали свой след в реликтовом излучении. Поскольку волны растягивались вместе с Вселенной, то и длины волн гармоник растянулись на ту же величину, и потому их вполне можно вычислить по отдельности и в сегодняшнем небе. Угловой размер первичного колебания должен равняться приблизительно 1°, что вдвое больше диаметра Луны. Угловой размер обертонов должен быть пропорционально меньше.