Лев Гиндилис – SETI: Поиск Внеземного Разума (страница 54)

Один из выводов, который вытекал из теории Гамова, состоял в том, что в настоящее время во Вселенной, помимо излучения звезд (и других источников), должно существовать электромагнитное излучение, образовавшееся в ту далекую эпоху, когда никаких звезд еще не было, а Вселенная представляла собой однородную горячую плазму. В этой плазме, состоящей, в основном, из электронов и протонов, все частицы, тесно взаимодействуя, находились в равновесии между собой и с излучением. При взаимодействии протонов и электронов образовывались нейтральные атомы, но они тут же разрушались под действием квантов электромагнитного излучения. Процессы ионизации уравновешивались рекомбинациями, и вся эта плазма вместе с излучением, участвуя в общем космологическом расширении Вселенной, постепенно охлаждалась. Когда температура ее упала до 4000 К, энергия квантов стала уже недостаточной, чтобы ионизовать вещество. Равновесие нарушилось, процессы рекомбинации стали преобладать над ионизацией — в результате рекомбинации образовалось нейтральное вещество. С этого момента Вселенная стала прозрачна для излучения. Излучение практически перестало взаимодействовать с веществом, оно как бы отделилось от него и стало эволюционировать независимо. Эволюция вещества привела к образованию того сложного, многообразного Мира, в котором мы живем. А излучение продолжало равномерно заполнять все пространство, только плотность его с расширением Вселенной уменьшалась, и температура тоже падала. В настоящее время температура этого реликтового излучения[137], согласно расчетам Гамова и его сотрудников, должна составлять несколько кельвинов. Если бы мы могли наблюдать это излучение, мы бы получили информацию о далекой, дозвездной стадии эволюции Вселенной, когда в результате рекомбинации образовалось нейтральное вещество.

Несмотря на столь фундаментальный вывод, вытекающий из теории Гамова, никто не пытался его проверить. Видимо, все эти теоретические построения представлялись экспериментаторам слишком отвлеченными, далекими от действительности. (Игра ума теоретиков! Разве можем мы знать, что происходило во Вселенной в такую отдаленную эпоху?!) Надо сказать, что сам Гамов не надеялся на обнаружение реликтового излучения, так как полагал, что оно полностью маскируется излучением звезд, возникших на более поздней стадии эволюции Вселенной. В 1964 г. советские астрофизики А. Г. Дорошкевич и И. Д. Новиков показали, что хотя общее количество энергии реликтового излучения сравнимо с излучением галактик, но в сантиметровом и миллиметровом диапазонах радиоволн оно значительно превышает излучение всех остальных радиоисточников и, следовательно, его можно обнаружить. Эта работа еще не была в полной мере осознана, когда в 1965 г. реликтовое излучение было открыто чисто случайно американскими физиками Р. Вилсоном и А. Пензиасом с помощью 7-метровой рупорной антенны, предназначенной для наблюдения искусственного спутника Земли «Эхо». Таким образом, теория горячей Вселенной получила экспериментальное подтверждение, а Пензиас и Вилсон за открытие реликтового излучения были удостоены Нобелевской премии.

Максимум энергии реликтового излучения приходится на длину волны около 1 мм, а распределение энергии по спектру соответствует чернотельному излучению с температурой около 3 К. Как уже отмечалось, реликтовое излучение равномерно заполняет все пространство. В современную эпоху плотность энергии реликтового излучения составляет приблизительно 5 • 10^-13 эрг/см³, энергия одного фотона около 10^-15 эрг, следовательно, в одном кубическом сантиметре содержится 500 фотонов реликтового излучения. Это очень большая величина. Для сравнения напомним, что концентрация атомов водорода — самого распространенного элемента, в котором сосредоточена практически вся «вещественная» масса Вселенной, составляет 3 • 10^-7 см^-3 (один атом водорода или один протон на несколько кубических метров). Следовательно, отношение числа фотонов к числу частиц вещества порядка 10⁹,т. е. на каждый атом вещества приходится миллиард реликтовых фотонов. Согласно соотношению Эйнштейна эквивалентности массы и энергии (Е = тс²), плотности энергии реликтового излучения ε_изл = 5 • 10^-13 эрг/см^-3 соответствует плотность массы ρ_изл = 5 • 10^-34 г/см³, что приблизительно в 1000 раз меньше, чем плотность массы обычного вещества ρ_вещ = 3 • 10^-31 г/см³. Таким образом, хотя по числу частиц реликтовых фотонов в миллиард раз больше, чем частиц вещества, они дают вклад в плотность Вселенной в 1000 раз меньший. Эго относится к современной эпохе. Но так было не всегда. Дело в том, что при расширении Вселенной концентрация частиц и плотность вещества убывает пропорционально a^-3 (напомним, что а — масштабный фактор); концентрация фотонов также убывает пропорционально а^-3, но, помимо этого, из-за красного смещения частота излучения и, следовательно, энергия (E = hv) каждого фотона убывает как a^-1. Значит, плотность излучения убывает пропорционально a^-4, т. е. быстрее, чем для вещества. Отношение ρ_вещ/ρ_изл ∝ a(t). В современную эпоху оно равно 10³, но с течением времени, по мере возрастания масштабного фактора из-за расширения Вселенной, эта величина будет расти. Напротив, в прошлом отношение ρ_вещ/ρ_изл было меньше, чем сейчас. В эпоху, когда масштабный фактор (а значит, и размер Метагалактики) был в 1000 раз меньше современного значения, плотность вещества равнялась плотности излучения. Это соответствует эпохе, когда с начала расширения Вселенной прошло около 300 000 лет. При t > 3 • 10⁵ лет ρ_вещ > ρ_изл , плотность Вселенной определяется веществом; этот период развития Вселенной, в который живем и мы с вами, называется эрой вещества. При t < 3 • 10⁵ лет ρ_изл > ρ_вещ , плотность Вселенной определяется излучением; соответствующая эра в развитии Вселенной называется эрой излучения.

Выше речь шла о плотности вещества и излучения. Что касается отношения числа фотонов к числу частиц вещества, то, поскольку концентрация и тех и других с расширением Вселенной падает как а^-3, отношение n_фот/n_нукл со временем не меняется и равно 10⁹. Возникает вопрос — почему это отношение столь велико? Ведь, если в горячей Вселенной на раннем этапе все частицы находились в равновесии, то число частиц разного типа должно было быть примерно равным. Но как только мы задумываемся над этим вопросом, возникает другой, гораздо более важный вопрос — а почему, вообще, существует вещество в нашей Вселенной? Ведь если когда-то все частицы находились в равновесии, то число частиц должно было равняться числу античастиц. Почему же тогда образовалось только вещество, куда делось антивещество? Конечно, для нас это обстоятельство весьма благоприятно, ибо если бы во Вселенной существовало в равных количествах вещество и антивещество, то в какой-то момент оно должно было аннигилировать, и тогда весь Мир состоял бы только из излучения. Разгадка этих проблем, как оказалось, кроется в самых ранних этапах эволюции Вселенной, когда после сингулярности прошли ничтожные доли секунды.

Как близко можно подойти к сингулярности, двигаясь назад во времени, и как определить условия в ранней Вселенной? Теория горячей Вселенной дает простые соотношения для масштабного фактора, плотности и температуры в любой момент времени для ранней Вселенной:

или:

Здесь t — время в секундах, отсчитываемое от сингулярности, t₀ — современный момент времени.

В своей замечательной книге «Первые три минуты»[138], изданной в 1977 г., С. Вайнберг начинает историю Вселенной с момента t = 0,01 с, когда температура составляла 10¹¹ К (в 10 тыс. раз выше, чем в недрах Солнца). Современные космологи идут гораздо дальше, они начинают с момента t = 3 • 10^-44с. Это так называемое планковское время. Дальше к сингулярности двигаться уже невозможно, ибо здесь начинают сказываться квантовые эффекты, и привычное нам понятие времени теряет смысл. Мы начнем описание истории горячей Вселенной с момента t = 10^-34с; более ранний период будет рассмотрен в следующем пункте.

При t = 10^-34 с температура составляла 10²⁷ К, радиус Метагалактики равнялся 30 см (!), а плотность составляла 10⁷⁴ г/см³. Температуру Т = 10²⁷ К называют температурой великого объединения, ибо при этой температуре стирается различие между тремя видами физических взаимодействий — электромагнитным, сильным и слабым. Существует Единое физическое взаимодействие, проявлением которого при меньшей температуре является электрослабое и сильное взаимодействие. Но здесь нам придется сделать небольшой экскурс в физику элементарных частиц.

Все многообразие физических сил и взаимодействий, существующих в природе, сводится к четырем основным взаимодействиям: гравитационному, электромагнитному, слабому и сильному. Гравитационное взаимодействие — сила всемирного тяготения действует на все тела и частицы. По сравнению с другими взаимодействиями, оно очень слабо и в мире элементарных частиц практически не сказывается. Тяготение становится заметным на больших расстояниях и для тел достаточно большой массы. Электромагнитные силы определяют взаимодействие между заряженными частицами. Было время, когда электрические и магнитные явления, известные с незапамятных времен, рассматривались как совершенно независимые. Но затем была установлена тесная взаимосвязь между ними: движение электрических зарядов порождает магнитное поле, а изменение магнитного поля создает электрический ток. В теории Максвелла электрические и магнитные явления были объединены в единое электромагнитное взаимодействие. Слабые взаимодействия характеризуют все типы процессов с элементарными частицами, в которых принимают участие нейтрино. Они, в частности, ответственны за распад нейтрона и, следовательно, за процессы радиоактивного распада. В отличие от гравитационного и электромагнитного взаимодействий, которые изменяют только внешнее состояние движения частиц, слабое взаимодействие меняет внутреннюю природу самих частиц (например, нейтрон превращается в протон, электрон и нейтрино). В обычных условиях слабое взаимодействие слабее электромагнитного и тем более сильного (отсюда и его название), но оно значительно сильнее гравитационного взаимодействия. Наконец, сильное взаимодействие характеризует ядерные силы, которые удерживают протоны и нейтроны в атомных ядрах. Важной особенностью сильных и слабых взаимодействий является то, что они действуют только на очень малых расстояниях. Радиус действия ядерных сил порядка 10^-13 см, а радиус действия «слабых» сил порядка 10^-16 см. Поэтому в обычных масштабах эти силы не сказываются, здесь действуют только гравитационные и электромагнитные силы.