Стивен Вайнберг - Всё ещё неизвестная Вселенная. Мысли о физике, искусстве и кризисе науке

До некоторого момента историю космологии и физики частиц можно рассказывать независимо друг от друга. Однако к концу статьи эти истории сойдутся, так же как они сходятся в нашей научной работе.

Научная космология началась в 1920-х гг. Именно тогда ученые выяснили, что маленькие облака, которые не меняют своего видимого положения среди звезд, на самом деле далекие галактики вроде нашего Млечного Пути, и в каждой из них — многие миллиарды звезд. Затем обнаружилось, что все эти галактики удаляются от нас и друг от друга. Несколько десятилетий все космологические исследования были почти полностью сосредоточены на попытках определить скорость расширения Вселенной и измерить возможное изменение этой скорости.

Как ни странно, очень мало внимания было уделено очевидному выводу: если галактики удаляются друг от друга, значит, в какой-то момент времени в прошлом они все были «спрессованы» вместе. По измеренной скорости расширения можно определить, что этот момент времени удален от нас на несколько миллиардов лет. Расчеты, выполненные в конце 1940-х гг., показали, что ранняя Вселенная должна была быть очень горячей, иначе весь водород в ней (самый распространенный элемент) образовал бы более тяжелые химические элементы. Горячая материя должна излучать свет, который сохранился бы до настоящего времени в виде слабого статичного микроволнового фона (реликтового излучения), охлажденного в результате расширения Вселенной до современного уровня температуры, составляющего несколько градусов выше абсолютного нуля [33] Говорят, что излучение имеет определенную температуру, если плотность его энергии распределена по длинам волн так же, как энергия равновесного излучения в комнате, стены которой имеют эту температуру. Для нас такое излучение в основном видимо при температуре в несколько тысяч градусов, инфракрасное излучение имеет температуру, с которой мы имеем дело в повседневной жизни, а температура микроволнового излучения всего лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля. .

Никаких попыток найти это остаточное космическое микроволновое фоновое излучение не предпринималось, и об этом предсказании практически забыли. Некоторое время теоретики даже допускали, что Вселенная находится в стационарном состоянии и всегда выглядит примерно одинаково, а пустоту между разбегающимися галактиками заполняет непрерывно образующаяся новая материя.

Современная эпоха научной космологии началась 48 лет назад, когда случайно было открыто реликтовое излучение. На этом стационарная космология закончилась — ранняя Вселенная действительно существовала. С тех пор реликтовое излучение интенсивно исследовалось с помощью как околоземных спутников, так и наземных радиотелескопов. Теперь мы знаем, что современное значение температуры реликтового излучения составляет 2,725° выше абсолютного нуля. Если эти данные использовать для расчетов образования атомных ядер в первые три минуты после Большого взрыва, тогда их результаты предскажут наблюдаемую распространенность легких элементов (изотопов водорода, гелия и лития) с некоторыми оговорками относительно лития. Более тяжелые химические элементы, как известно, образуются внутри звезд.

Куда важнее, чем точное измерение температуры, открытие 1992 г., что температура реликтового излучения для разных участков неба разная. В ее распределении были обнаружены флуктуации масштаба одной стотысячной доли. Это явление не стало сюрпризом. Такая мелкая зыбь в распределении температуры должна наблюдаться из-за малых сгустков материи в ранней Вселенной, которые впоследствии стали центрами гравитационной конденсации материи в галактики.

Эти сгустки и флуктуации обусловлены хаотическими волнами, похожими на звуковые в материи ранней Вселенной. Пока температура Вселенной превышала 3000 K, электроны в разогретой материи находились в свободном состоянии и непрерывно рассеивали излучение, поэтому сжатие и разрежение в звуковых волнах создавало соответствующие изменения в интенсивности излучения. Мы не можем заглянуть непосредственно в тот период времени, поскольку взаимодействие излучения со свободными электронами сделало Вселенную непрозрачной, но, когда Вселенная остыла до 3000 K, электроны оказались заперты в атомах водорода и Вселенная стала прозрачной. Излучение того времени сохранилось, остыло за счет расширения Вселенной и все еще несет в себе отпечаток волн, которые наполняли Вселенную до того, как она стала прозрачной.