Мартин Рис - Всего шесть чисел. Главные силы, формирующие Вселенную [litres]

К настоящему времени самые точные измерения были проведены в 1990-е гг. с помощью спутника NASA COBE [22] С тех пор важные наблюдения были сделаны на спутнике WMAP и ряде наземных установок. На сегодняшний день самые полные и детальные данные получены спутником Planck. – Прим. науч. ред . . Когда экспериментаторы представляют свои результаты, они обычно изображают на графике «планки погрешностей», которые указывают на степень неуверенности в результатах, но для информации, полученной COBE, таких планок не могло быть, потому что они были бы короче, чем толщина кривой. Это действительно историческое измерение с точностью до одной десятитысячной убедительно подтвердило, что все в нашей Вселенной – в том числе все вещество, из которого состоят галактики, – когда-то было горячим газом с температурой выше, чем в ядре Солнца.

Сегодня средняя температура Вселенной составляет 2,728 градуса выше абсолютного нуля. Это, конечно, очень холодно (около –270 °С), но существует четкое понимание того, почему межгалактическое пространство по-прежнему содержит много тепла. Каждый м 3вмещает 412 млн квантов излучения или фотонов. Для сравнения: средняя плотность атомов во Вселенной составляет примерно 0,2 на 1 м 3. Это последнее число известно нам с меньшей точностью, поскольку мы не уверены, сколько атомов может быть в рассеянном газе или темной материи, но, по всей видимости, на каждый атом во Вселенной приходится около 2 млрд фотонов. Во время расширения Вселенной падает и плотность атомов, и плотность фотонов. Но падает она равномерно, поэтому соотношение атомов и фотонов остается прежним. Поскольку отношение «тепла к материи» так велико, о первоначальной Вселенной часто говорят как о горячем Большом взрыве.

Первичные горячие фазы продолжались недолго. Температура превышала миллиард градусов всего несколько минут. Примерно через полмиллиона лет она уменьшилась до 3000 °C – Вселенная стала чуть прохладнее поверхности Солнца, что явилось важным этапом процесса расширения. Перед этим все было таким горячим, что электроны были оторваны от ядер и двигались свободно. По мере снижения температуры они достаточно замедлились, чтобы присоединиться к ядрам; таким образом сформировались нейтральные атомы. Эти атомы не могли рассеивать тепло так эффективно, как свободные электроны на более ранних и более горячих стадиях. В течение последующего периода материя стала прозрачной; «туман» рассеялся. Во время расширения температура, в свою очередь, падала обратно пропорционально увеличению масштаба Вселенной (увеличению длины штырей в решетке Эшера). Реликтовое излучение, регистрируемое COBE, является следом той эпохи, когда наша Вселенная была сжата более чем в тысячу раз по сравнению с сегодняшним днем – при температуре 3000 °K вместо сегодняшних 2,7 °K и задолго до того, как появились галактики. Интенсивное излучение первоначального шара хотя и ослабело из-за расширения, но все еще наполняло всю Вселенную.

Часто используемая аналогия со взрывом вводит в заблуждение, поскольку создает представление о том, что Большой взрыв произошел в каком-то особом месте. Но, насколько мы можем судить, любой наблюдатель, находись он на Земле, в Туманности Андромеды или в самых далеких от нас галактиках, увидел бы одну и ту же модель расширения. Возможно, когда-то Вселенная и была сжата в одну-единственную точку, но у каждого есть равное право заявлять о том, что все началось именно с этой точки. Мы не можем соотнести источник расширения с каким-либо определенным местом в нынешней Вселенной.

Также неверно думать, что в первоначальной Вселенной расширение происходило из-за высокого давления . Взрыв вызывается нарушением равновесия давления; бомбы на Земле и сверхновые в космосе взрываются, потому что резкий перепад давления вышвыривает осколки в область низкого давления. Но в первоначальной Вселенной давление везде было одинаковым: не было никакой границы или внешней области. Первичный газ охладился и рассеялся, как это происходит с содержимым растягивающейся коробки. Дополнительное притяжение, возникшее из-за давления и энергии тепла, на самом деле замедляло расширение {7} 7 Согласно теории Эйнштейна гравитация зависит не только от плотности, но от [(плотность) + 3 (давление) / с 2 ]. Если игнорировать второй член, то в случаях, когда важно давление излучения, мы получаем разницу в два раза. Тем не менее мы увидим в главе 7, что даже в пустом пространстве может быть какая-то энергия. Если это так, она будет иметь отрицательное давление (иначе говоря, «упругость»). Тогда второй член компенсирует первый, и это вызывает крупное качественное изменение: расширение на самом деле ускоряется вместо того, чтобы замедляться. Этот интуитивно непостижимый результат важен в ранней Вселенной, а также в настоящее время, если энергия пустого пространства (λ – см. главу 7) станет доминирующей. .