Предчувствия и свершения. Книга 2. Призраки
Шрифт:
Последний заслуживающий упоминания момент ранней истории Вселенной отстоит от нашего начала отсчета времени на 34 минуты и 40 секунд. К этому времени температура упала до 300 миллионов градусов, причем температура излучения за счет энергии, освобождавшейся при аннигиляции электронов и позитронов, теперь на 40,1 % превышает энергию нейтрино. Общая средняя плотность Вселенной всего на 9,9 % превышает плотность воды, причем 31 % ее относится к плотности нейтрино и антинейтрино, а 69 % составляет плотность фотонов. Плотность остальных частиц составляет ничтожную часть общей плотности Вселенной. Эти частицы присутствуют в форме свободных протонов и ядер гелия, причем последние составляют от 22 до 28 % от общего количества тяжелых частиц. Количество электронов точно равно количеству протонов (свободных и связанных в ядрах гелия), но ведь масса
Это состояние сохранялось в течение 700 000 лет. Вселенная продолжала расширяться и остывать. При этом не происходило никаких существенных изменений ее состава. Так продолжалось, пока ее размеры не достигли примерно тысячной части современных размеров, а температура не упала до 3000 К. При этой температуре электроны присоединились к ядрам, образовав нейтральные атомы гелия и водорода. Энергия большинства фотонов при этом была уже недостаточна для того, чтобы оторвать электроны от ядер. Вселенная стала практически прозрачной, электромагнитное излучение, заполнявшее Вселенную, теперь «отключилось» от вещества. Тепловое равновесие между ними нарушилось. Вещество и фотоны продолжали расширяться почти независимо. Именно с этого момента, продолжая остывать, сохранилось реликтовое излучение, обнаруженное Пензиасом и Вилсоном…
Сценарий ранних этапов развития Вселенной составлен лауреатом Нобелевской премии Вайнбергом и опубликован в его замечательной книге «Первые три минуты».
Для того чтобы завершить эту часть нашего рассказа, нужно сказать подробнее о том, почему радиотелескопы зафиксировали реликтовое излучение с температурой 3°, а не 3000°, при которой излучение потеряло тепловой контакт с веществом Вселенной. Причиной является продолжающееся расширение Вселенной. Реликтовое излучение приходит к нам из всей «глубины» Вселенной, включая ее самые отдаленные части. Объем этих удаленных частей много больше, чем объем более близких областей. Ясно, что главная часть реликтового излучения приходит оттуда. Но красное смещение там очень велико, ведь скорости удаления многих галактик составляют половину и более от скорости света. Расчет показывает, что, просуммировав все излучение, приходящее к нам по каждому произвольному направлению, мы получим то, что дало бы абсолютно черное тело с температурой 2,96° выше абсолютного нуля.
Новейшие измерения дают несколько меньшее значение эквивалентной температуры реликтового излучения. Это еще одна из нерешенных загадок мироздания. Загадочным является малое (примерно на 20 %) отклонение от расчетной величины. Но в главном эксперимент хорошо согласуется с космологическими выводами теории относительности.
После «отключения» электромагнитного излучения от вещества, когда температура, уменьшаясь, перешла предел, при котором фотоны уже не могли эффективно взаимодействовать с частицами, и пространство стало практически прозрачным для электромагнитных волн, достигли значительных размеров случайные отклонения плотности вещества в пространстве от ее среднего значения. До этого плотность первичной смеси была повсюду практически одинакова, однородно уменьшаясь от первоначальных огромных плотностей. Теперь начали возникать местные сгущения. Это нарушило первоначальную устойчивую и однородную картину. Силы притяжения приводили ко все большей концентрации вещества в областях случайных сгущений. Так началось возникновение галактик, а затем и остальных небесных тел. Теперь в регулярном фридмановском расширении участвовали лишь центры масс местных сгущений. Возникли регулярные движения отдельных частиц относительно этих центров.
Не следует считать, что процесс расширения, последовавший за Большим взрывом, можно рассматривать как распространение вещества и излучения в пространстве, бывшем до того пустым. Общая теория относительности показывает, что пространство чрезвычайно тесно связано с заполняющей его материей, существующей в нем в форме вещества и излучения. В процессе расширения участвует само пространство вместе с заполняющим его излучением и веществом.
Пытаясь выразить словами это глубокое свойство пространства, Эйнштейн называл его «новым эфиром», ибо местные движения частиц и целых звезд относительно центра соответствующей галактики являются движениями относительно расширяющегося пространства. Ведь неподвижны относительно этого пространства только центры тяжести таких огромных систем, как галактики.
Теория относительности, подчеркивающая значение относительных перемещений различных тел, показывает, почему невозможно обнаружить равномерное и прямолинейное движение какого-либо отдельного тела, не привлекая для такого опыта другие тела. Это связано с тем, что пространство само по себе не имеет никаких «верстовых столбов», никаких отметин, по которым можно судить о движении. Лишь ускоренное движение может быть обнаружено без всякой связи с внешними телами. Знаменитый опыт Майкельсона, стремившегося обнаружить движение Земли относительно эфира, так же как последующие повторения этого опыта, давали отрицательный результат. До создания теории относительности это казалось поразительным. Теперь мы знаем, что ничего иного нельзя ожидать. Эти опыты следует рассматривать лишь как экспериментальное подтверждение постулата Эйнштейна о постоянстве скорости света, о независимости этой скорости от движения наблюдателя и его приборов.
Открытие реликтового излучения радикально изменило ситуацию.
Реликтовое излучение и его эволюция неразрывно связаны с пространством и его расширением. Изучая свойства реликтового излучения, можно не только проверить справедливость теории Большого взрыва, но и обнаружить движение наблюдателя относительно этого излучения, а следовательно, и относительно самого расширяющегося пространства. В 1977 году Маллер и его сотрудники в Калифорнийском университете задумали с этой целью повторить измерения изотропии реликтового излучения, увеличив в тысячу раз точность измерения, достигнутую Пензиасом и Вилсоном. Для этого они избрали волну длиной 9 мм и, чтобы избегнуть влияния шумов атмосферы, должны были поднять аппаратуру на высоту более 15 км, где практически нет паров воды, излучающих в этом диапазоне. Влияние излучения молекул кислорода исключалось специальной системой, периодически переключавшей элементы схемы приемника. Измерения велись по ночам, чтобы не мешало радиоизлучение Солнца и оно не нагревало антенну. Для исключения сезонных эффектов измерения велись целый год.
Результат был несомненным и сенсационным. Оказалось, что температура излучения, приходящего к приборам из глубины Вселенной по различным направлениям, не оставалась постоянной вопреки измерениям Пензиаса и Вилсона.
Отклонение было столь малым, что не могло быть зафиксировано приборами первооткрывателей. Но новые приборы, примененные Маллером, показали, что излучение, приходящее со стороны созвездия Льва на 3,5 миллиградуса теплее, а приходящее с противоположного направления на 3,5 миллиградуса холоднее среднего значения температуры излучения. При этом зависимость температуры излучения от направления описывалась законом косинуса. Если же вычесть такое косинусоидальное изменение из результатов опыта, то остаток оказывался изотропным (то есть одинаковым во всех направлениях) с точностью до '/зооо.
Полученные результаты легко объяснить предположением о том, что антенна вместе с Землей перемещается в поле реликтового излучения. Поэтому в направлении движения (в сторону созвездия Льва) мы видим это излучение более «горячим», а в противоположном направлении более «холодным». Иными словами, наблюдается эффект Допплера — «голубое» смещение спектра при наблюдении в сторону движения и «красное» смещение в противоположном направлении. Наблюдается новый эфирный ветер — ветер реликтового излучения…
Расчет показывает, что измеренное смещение соответствует скорости Земли относительно поля реликтового излучения, равной 390 км/сек.
Теперь мы знаем, что Земля участвует в трех движениях: в движении по орбите вокруг Солнца со скоростью 30 км/сек, движении вместе с Солнечной системой вокруг центра Галактики со скоростью около 300 км/сек и в движении Галактики как целого, относительно поля реликтового излучения, то есть относительно расширяющегося пространства общей теории относительности. Произведя исследования величины и направления этих скоростей, Маллер определил, что наша Галактика движется относительно пространства со скоростью около 600 км/сек. Так неожиданно реализовалось еще одно предвидение Эйнштейна. Его «новый эфир» получил воплощение в реликтовом электромагнитном излучении, дошедшем до нас как эхо Большого взрыва и позволяющем измерить скорость Земли относительно расширяющегося пространства.