Виктор Стенджер - Бог и Мультивселенная. Расширенное понятие космоса
Фотон всегда представляет собой излучение, поскольку его энергия покоя равна нулю. Нейтрино является излучением, пока его кинетическая энергия не падает ниже энергии покоя, то есть порядка 0,1 эВ, что в 5 млн. раз меньше, чем масса электрона (см. главу 13).
Если потенциальная энергия частицы намного больше ее кинетической энергии, она называется материей, хотя фотоны и другие объекты, называемые излучением, тоже полностью материальны, так что это различие немного сбивает с толку. Скорость этих частиц намного меньше скорости света c.
Как только температура Вселенной упала примерно до 100 МэВ, что произошло приблизительно на 10-5 с ее жизни, кинетическая энергия таких частиц, как протоны и ядра, стала намного ниже их энергии покоя и с этого момента поддавалась адекватному описанию в рамках нерелятивистской кинематики Ньютона.
В течение тысячелетий излучение в форме фотонов продолжало доминировать во Вселенной. Как уже упоминалось, эта стадия называется эпохой доминирования излучения. Однако плотность энергии излучения (вся кинетическая энергия) снижается по формуле 1/a4, где a — масштабный фактор Вселенной, в то время как энергетическая плотность материи (вся энергия покоя) снижается всего лишь со скоростью 1/a3. Итак, примерно через 70 тыс. лет после Большого взрыва энергетическая плотность материи сравнялась с энергетической плотностью излучения и перегнала ее и Вселенная вступила в эпоху доминирования материи.
Вплоть до этого момента Вселенная была непрозрачна, поскольку фотоны окружало множество заряженных электронов и ядер, с которыми они взаимодействовали. Наблюдатель, находящийся в такой Вселенной (очевидно, не человек), не смог бы ничего увидеть ни в одном световом диапазоне, поскольку фотоны не уходили далеко, двигаясь как бы в плотном тумане. Затем, когда температура опустилась до нескольких тысяч градусов и кинетическая энергия упала до нескольких десятков электрон-вольт, электроны и ядра начали объединяться, формируя атомы.
Этот процесс называется рекомбинацией, что звучит глупо, поскольку ядра и электроны никогда до того не были объединены в атомы. Но именно так это называется с точки зрения химии, которая обычно ставит атомы на первое место. В любом случае все частицы с противоположными зарядами объединились в нейтральные атомы (не забывайте, их было как раз поровну) и фотонам больше не с чем было взаимодействовать. Этот важный момент в истории, который произошел спустя 380 000 лет после Большого взрыва, как мы уже знаем, называется моментом последнего рассеяния. Вселенная стала прозрачной, и фотоны образовали тепловое облако, которое за следующие 13,8 млрд. лет остыло до 3 К и сформировало космический микроволновой фон (реликтовое излучение).
Глава 11.
ЧАСТИЦЫ И КОСМОС
Видимая Вселенная
Флагманским проектом в астрономии 1970-х годов стал первый пилотируемый полет на Луну на корабле «Аполлон-11», состоявшийся 20 июля 1969 года. Затем было еще пять полетов, последний — на корабле «Аполлон-17» 11 декабря 1972 года. Беспилотные космические аппараты «Вояджер-1» и «Вояджер-2», запущенные в 1977 году, исследовали Юпитер и Сатурн, после чего отправились к границам Солнечной системы, а теперь выходят в межзвездное пространство. В 1974 году «Маринер-10» прошел около Венеры и исследовал Меркурий. В 1976 году космический аппарат «Викинг» приземлился на Марсе.
Космический телескоп «Эксплорер-57» был запущен в 1978 году, чтобы исследовать астрономические объекты в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне, что невозможно сделать с Земли из-за поглощения УФ-лучей атмосферой. Проработав почти 18 лет, он провел более 104000 наблюдений объектов всех видов, от планет до квазаров.
Три спутника Астрономической обсерватории высоких энергий НАСА (НЕАО) исследовали космос еще в трех дополнительных диапазонах: в рентгеновских, гамма- и космических лучах. Обсерватория НЕАО 1, запущенная в 1977 году, исследовала небо в рентгеновском диапазоне и открыла 1500 источников этого излучения. НЕАО 2, переименованная в Обсерваторию имени Эйнштейна, была запущена в следующем году. Ее рентгеновский телескоп обнаружил на несколько тысяч источников больше, точно установив их местоположение. Ведущий эксперт проекта Обсерватории имени Эйнштейна Риккардо Джаккони ранее возглавлял исследовательскую группу, которая в 1962 году открыла мощный источник рентгеновского излучения Скорпион Х-1. Позже ученые определили, что он является нейтронной звездой. Его рентгеновское излучение в 10 тыс. раз мощнее видимого. В 2002 году Джаккони получил Нобелевскую премию по физике. Обсерватория НЕАО 3, запущенная в 1979 году, измеряла спектральные характеристики и изотропию рентгеновских и гамма-источников и определяла изотопный состав космических лучей.
Что же касается земных обсерваторий, то новые гигантские телескопырефлекторы появились на вершинах гор в Аризоне, Чили, Австралии, на Гавайях и в России. Приборы с зарядовой связью постепенно вытеснили фотопластинки в роли главного детектора, что существенно улучшило чувствительность телескопов к фотонам и повысило эффективность работы, одновременно обеспечивая автоматический цифровой вывод данных. Новые высокоскоростные цифровые компьютеры могли быстро обрабатывать большие объемы данных и позволяли автоматически управлять зеркалами. Астрономам больше не нужно было проводить долгие часы в холодных кабинах телескопов, вручную наводя их на цель.
К концу десятилетия возможности телескопов по сбору данных увеличились — прошли те времена, когда в телескопе использовалось одно-единственное зеркало. Теперь их стали оснащать системой из множества зеркал с компьютерной синхронизацией улавливаемого пучка света. Первое такое устройство, названное многозеркальным телескопом, работало в обсерватории имени Уипла (тогда называвшейся «Маунт Хопкинс») в Аризоне в то время, когда я работал в этом же месте над другим проектом, измеряя характеристики высокоэнергетических гамма-лучей.
Во время работы в Гавайском университете я наблюдал установку международных телескопов на Мауна-Кеа, горе высотой 4205 м, расположенной на острове Гавайи. В результате эта гора стала лучшим местом для астрономических наблюдений из имеющихся на Земле. Из-за большой высоты и уникально сухого воздуха над вершиной Мауна-Кеа — не только превосходное место для наблюдений в видимом диапазоне, но и хорошо подходит для изучения неба в инфракрасном спектре.
Нет нужды перечислять впечатляющие наблюдения, проведенные с помощью этих удивительных инструментов, и мне едва ли удастся отдать им здесь должное. Фотографии, которыми заполнены книги по астрономии и веб-сайты НАСА, демонстрируют, что природа может состязаться с любым человеческим видом искусства и любой религией в способности создавать красоту и вызывать священный трепет. Для моих целей на данном этапе достаточно сказать, что контраст между светящимся веществом во Вселенной и реликтовым излучением трудно продемонстрировать еще ярче. Видимая человеческим глазом Вселенная сложна, изменчива и непостоянна. Условно говоря, в масштабе 1:100 000 реликтовое излучение просто, однородно и постоянно. При таком уровне точности для его описания требуется всего один показатель — температура, равная 2,725 К. Однако оказалось, что небольшие отклонения от однородности в РИ смогут рассказать нам о том, как возникла вся эта невероятная сложность.
Проблема структуры
Задолго до открытия РИ астрономы ломали головы над тем, как сформировалась структура Вселенной. Выдающийся британский физик и астроном Джеймс Джинс вычислил механизм, благодаря которому однородное облако газа под воздействием гравитации сжимается, образуя плотный ком. Он вывел выражение для минимальной массы, при которой гравитационный коллапс пересилит давление газа, направленное вовне. Она называется массой Джинса и зависит от скорости звука в газе и плотности этого газа.
Механизм Джинса неплохо объясняет механизм формирования звезд, но не работает в случае галактик. В 1946 году российский физик Евгений Лифшиц применил вычисления Джинса к расширяющейся модели Вселенной и доказал, что гравитационная нестабильность сама по себе не способна объяснить формирование галактик из окружающей среды{208}. На деле выходит, что расширение Вселенной в совокупности с давлением излучения преодолевает гравитационные силы. Неспособность понять, как образовались галактики, пугала астрономов вплоть до 80-х годов XX века.
В начале 1970-х ряд авторов выдвинул предположение, что галактики сформировались вследствие флуктуации плотности первичной материи в ранней Вселенной. Поскольку отношение давления среды к ее плотности описывается уравнением состояния, флуктуации плотности создают флуктуации давления, которые есть не что иное, как звук. Часто можно услышать, что Большой взрыв (англ. big bang — «большой бабах») — ошибочное название, поскольку взрывы в космосе беззвучны. Но Большой взрыв на самом деле породил звуковые волны, которые можно услышать.
