Александр Шаров - Человек, открывший взрыв Вселенной. Жизнь и труд Эдвина Хаббла
Теория Фридмана описывает, как под действием сил тяготения происходит это расширение. Галактики удаляются друг от друга, двигаясь по инерции, а силы взаимного тяготения постепенно тормозят их движение и замедляют расширение Вселенной.
Но теория не отвечает на вопрос, почему расширение началось. Откуда в веществе, из которого потом образовались галактики, взялись начальные скорости расширения?
Обнаружение реликтового излучения показало, что в самом начале Вселенная была горячей, давление вещества, которое тогда распределялось в пространстве почти однородно, было огромным.
На первый взгляд большое давление крайне важно. Вспомним картину взрыва какого-либо заряда, когда в малом объеме выделяется энергия. Это может быть, например, химическая энергия или ядерная. Вещество заряда сильно нагревается и испаряется. Давление нагретых газов вызывает его стремительное расширение. Когда мы обращаемся к началу расширения Вселенной, невольно перед глазами предстает только что описанная картина. Не являются ли большие температура и давление причиной начала расширения? Нет, такое заключение неправильно. Между двумя описанными явлениями имеется существенное различие. При взрыве заряда есть перепад давлений — огромное давление внутри горячих газов и сравнительно малое атмосферное давление снаружи (если взрыв происходит в воздухе). Этот перепад и создает силу, расшвыривающую вещество. Именно перепад давлений создает силу, а не само высокое давление. Ведь если бы снаружи взрывающихся газов давление было такое же, что и внутри, то, очевидно, никакого разлета вещества не было бы. Кроме того, плотность расширяющегося горячего газа при взрыве неоднородна: максимальна в центре и спадает к краям. В ходе разлета перепад давлений, связанный с перепадом плотности и температуры, создает силу, подталкивающую разлетающийся газ.
Ничего подобного нет в начале расширения Вселенной. Ее вещество до образования небесных тел было однородно, никаких перепадов плотности и давления не было. Поэтому не возникало силы, которая могла бы служить причиной начала расширения. Следовательно, большое давление горячего газа не есть причина начала расширения Вселенной.
Что же послужило «первотолчком», давшим начальные скорости веществу? Для того, чтобы восстановить процессы, происходившие в самом начале расширения,. необходимо найти в сегодняшней Вселенной следы этих наиболее «древних» процессов.
Оказывается, такими. «следами» являются фундаментальные свойства сегодняшней Вселенной. Без специального объяснения происхождения этих свойств во время взрыва Вселенной они представляются загадочными.
Первая из таких загадок — однородность Вселенной в больших масштабах. Наблюдения показывают, что на расстояниях больше сотен мегапарсек скопления галактик распределены в пространстве однородно. Правда, для больших расстояний выводы делать трудно из-за сложности наблюдения далеких слабых объектов. Подобные наблюдения еще ничего не говорят впрямую и о распределении «скрытой массы» — невидимых (несветящихся} форм вещества. Тем не менее вывод о крупномасштабной однородности Вселенной и для видимого, и (что особенно важно) невидимого вещества вполне надежен. Как он получен?
Инструментом исследования послужило реликтовое излучение.
Сегодня Вселенная совсем прозрачна для этого излучения, но в прошлом было не так. Когда температура превышала 4000 К, все вещество представляло собой ионизованную плазму (отдельных небесных тел тогда еще не было), непрозрачную для реликтового излучения. Превращение плазмы в нейтральное вещество произошла спустя 300 тыс. лет после начала расширения и, начиная с этой эпохи, подавляющее большинство реликтовых фотонов движется по прямой, уже не взаимодействуя о нейтральными атомами. Поэтому, когда мы наблюдаем реликтовое излучение, мы заглядываем в прошлое — в ту далекую эпоху, которая называется эпохой рекомбинации, поскольку тогда происходил захват электронов атомными ядрами и образовывалось нейтральное вещество. За время, прошедшее с эпохи рекомбинации, излучение успевает преодолеть около 15 млрд. световых лет. Это максимальное расстояние, которое свет пройдет в расширяющейся Вселенной, даже если он вышел в самом начале расширения, т. е. 15 млрд. лет назад. Поэтому такое расстояние называют расстоянием до горизонта видимости. Таким образом, с помощью реликтового излучения мы «просматриваем» практически всю доступную наблюдениям область Вселенной.
Чем же реликтовое излучение может помочь в решении вопроса, насколько однородна Вселенная? Дело в том, что это излучение несет информацию о свойствах Вселенной в точках, разнесенных очень далеко в пространстве. И эти свойства оказываются до удивления одинаковыми. Так, измерения на искусственном спутнике «Реликт», выполненные в Институте космических исследований АН СССР, показали, что интенсивность реликтового излучения, приходящего к нам из диаметрально противоположных точек на небе, одинакова с точностью по крайней мере до сотых долей процента. Поскольку каждый такой луч идет к нам практически от горизонта, то значит, точки, из которых вышло реликтовое излучение, разнесены сегодня на 30 млрд. световых лет. А излучение свидетельствует, что свойства этих областей совершенно одинаковы.
Но, что, собственно, удивительного в том, что в очень больших масштабах Вселенная однородна? Удивительно это по следующей причине. Световой сигнал, вышедший из одной из точек даже 15 млрд. лет назад, не успеет пройти расстояние 30 млрд. световых лет. Быстрее света ничто не может двигаться. Значит, никакой сигнал не успеет пройти от одной точки до другой, отстоящей от первой на 30 млрд. световых лет. Нет никаких причин для выравнивания или «согласования» условий в этих точках, раз они не успели с начала расширения Вселенной даже обменяться сигналами. И тем не менее условия в них одинаковы. Почему?
Это и есть первая загадка, которую должна решить теория. Она получила название «проблемы горизонта».
Перейдем теперь ко второму фундаментальному свойству Вселенной, которое также нуждается в объяснении. Мы уже говорили, что расширение Вселенной тормозится силами тяготения. Эти силы, определяющие энергию тяготения, зависят от средней плотности вещества во Вселенной. В то же время скорости удаления галактик друг от друга определяют кинетическую энергию расширения. Если бы в самом начале энергия тяготения заметно превышала начальную кинетическую энергию разлета, то расширение давно прекратилось бы и Вселенная сжалась.
С другой стороны, если бы кинетическая энергия в начале была заметно больше, то галактики сегодня разлетались бы по инерции совсем не тормозясь тяготением. То значение плотности вещества, при котором обе энергии уравновешиваются, называется критическим. Наблюдения показывают, что в первые мгновения расширения плотность была чрезвычайно близка к критическому значению. Рассмотрим для примера момент времени в прошлом, очень близкий к началу расширения, когда, согласно современной теории единое физическое взаимодействие, определяющее все процессы в веществе, распалось и сильное ядерное взаимодействие стало играть самостоятельную роль. Этот момент называют эпохой «Великого объединения», он отстоит от начала расширения всего на 10-33 с. Согласно данным наблюдений о скорости расширения и средней плотности вещества сегодня, и по расчетам по модели Фридмана, в эпоху «Великого объединения» отличие плотности от критической составляло менее 10-50 доли от значения самой плотности!
