Экспериментальные свидетельства Большого взрыва

С каждым годом мы получаем все больше экспериментальных свидетельств тому, что Большой взрыв произошел примерно 15–20 млрд лет назад. Обратимся к некоторым результатам этих экспериментов.

Во-первых, тот факт, что звезды удаляются от нас с невероятной скоростью, неоднократно подтвержден путем измерения искажений их света (благодаря так называемому «красному смещению»). (Линии в спектре света удаляющейся звезды смещаются в длинноволновую, или красную, часть спектра. Так, гудок поезда звучит выше, когда поезд приближается, и ниже, когда он удаляется. Это явление называется эффектом Доплера. Кроме того, закон Хаббла гласит: чем дальше от нас звезда или галактика, тем быстрее она отдаляется от нас. Этот факт, впервые объявленный астрономом Эдвином Хабблом в 1929 г., за последние 50 лет был подтвержден экспериментальным путем.) Мы не видим синего смещения далеких галактик, которое означало бы сжатие Вселенной.

Во-вторых, мы знаем, что распределение химических элементов в нашей галактике почти точно соответствует прогнозам по образованию тяжелых элементов при Большом взрыве и в звездах. При изначальном Большом взрыве невероятно высокие температуры привели к тому, что ядра элементарного водорода сталкивались друг с другом при достаточно больших скоростях, способных привести к слиянию, в итоге возникал новый элемент — гелий. Согласно теории Большого взрыва, соотношение гелия к водороду во Вселенной должно составлять примерно 25 % гелия и 75 % водорода. Это соответствует результатам, полученным путем наблюдения и свидетельствующим об изобилии гелия во Вселенной.

В-третьих, древнейшие объекты Вселенной датированы периодом давностью 10–15 млрд лет в соответствии с приблизительными оценками для Большого взрыва. Мы не видим никаких свидетельств тому, что существуют объекты, возникшие еще до Большого взрыва. Поскольку распад радиоактивных веществ (к примеру, посредством слабого взаимодействия) происходит с точно известной скоростью, можно определить возраст объекта, подсчитав относительное содержание конкретных радиоактивных веществ. К примеру, каждые 5730 лет распадается половина радиоактивного углерода-14, что дает нам возможность определить возраст археологических находок, содержащих углерод. Другие радиоактивные элементы (такие как уран-238 с периодом полураспада свыше 4 млрд лет) позволяют определить возраст лунных пород (собранных при выполнении программы «Аполлон»). Возраст Древнейших горных пород и метеоритов, найденных на Земле, доставляет примерно 4–5 млрд лет, т. е. приблизительно равен возрасту Солнечной системы. Путем вычисления массы конкретных звезд, эволюция которых известна, можно продемонстрировать, что возраст древнейших звезд в нашей галактике составляет примерно 10 млрд лет.

В-четвертых, и это самое важное, Большой взрыв вызвал «космическое эхо», раскатившееся по всей Вселенной, которое можно измерить нашими приборами. Арно Пензиас и Роберт Уилсон из компании Bell Telephone Laboratories в 1978 г. удостоились Нобелевской премии за обнаружение эха Большого взрыва — микроволнового фонового излучения, которое пронизывает всю известную Вселенную. Факт распространения эха Большого взрыва по прошествии миллиардов лет после самого взрыва впервые был предсказан Георгием Гамовым и его учениками Ральфом Альфером и Робертом Германом, однако никто не принял это всерьез. Сама идея измерения отголосков сотворения казалась нелепостью, когда впервые была предложена вскоре после Второй мировой войны.

Однако логика авторов идеи выглядела весьма убедительно. Любой нагретый объект постепенно распространяет излучение. По этой причине железо в печи раскаляется докрасна. Чем горячее железо, тем выше частота его излучения. Точная математическая формула, закон Стефана-Больцмана, связывает световую (или в данном случае цветовую) частоту с температурой. (Именно так ученые определяют температуру на поверхности далекой звезды — изучая ее цвет.) Такое излучение называется излучением абсолютно черного тела.

Когда железо остывает, частота его излучения снижается до тех пор, пока железо не перестает давать излучение в видимом диапазоне. Оно приобретает свой обычный цвет, но от него исходит невидимое инфракрасное излучение. Благодаря ему действуют в темноте армейские бинокли ночного видения. По ночам сравнительно теплые объекты, такие как солдаты противника или двигатели танков, невидимы в темноте, тем не менее они распространяют невидимое излучение абсолютно черного тела в виде инфракрасного излучения, которое можно заметить с помощью специальных инфракрасных очков. По той же причине автомобиль с плотно закрытыми дверями нагревается летом. Солнце проникает сквозь стекла в окнах автомобиля и нагревает его изнутри. В итоге автомобиль начинает испускать излучение абсолютно черного тела в виде инфракрасного излучения. Но инфракрасное излучение слабо проникает сквозь стекло, поэтому остается внутри машины и резко повышает температуру в ней. (Подобным образом излучение абсолютно черного тела обуславливает и парниковый эффект. Повышенное содержание углекислого газа в атмосфере, вызванное сжиганием природного ископаемого топлива, действует как стекло, преграждая путь инфракрасному излучению Земли, в итоге планета постепенно нагревается.)

Гамов рассудил, что поначалу Большой взрыв был чрезвычайно интенсивным, поэтому его можно считать идеальным источником черного тела. В 40-х гг. XX в. техника была слишком примитивной, чтобы поймать слабый отзвук сотворения, однако Гамов сумел вычислить температуру этого излучения и с уверенностью предсказать, что когда-нибудь наши приборы приобретут достаточную чувствительность для выявления «реликтовых» излучений. Логика его рассуждений была такова: примерно через 300 тысяч лет после Большого взрыва Вселенная остыла до такой степени, что атомы смогли начать конденсироваться; электроны принялись окружать протоны, образуя устойчивые атомы, которые уже не разрушались под интенсивным воздействием излучения, пронизывающего Вселенную. До этого момента Вселенная была настолько раскалена, что излучение разрывало атомы сразу же после их образования. Это означало, что Вселенная была непрозрачной, как густой, поглощающий свет и непроницаемый туман. Но по прошествии 300 тысяч лет излучение уже не имело такой силы, чтобы разрушать атомы, поэтому свет преодолевал огромные расстояния, не рассеиваясь. Иными словами, через 300 тысяч лет Вселенная вдруг стала черной и прозрачной. (Мы так привыкли к выражению «чернота космоса», что забыли о том, что ранняя Вселенная была совсем не прозрачной, а наполненной вихревым непрозрачным излучением.)

Прошло 300 тысяч лет, электромагнитное излучение взаимодействовало с материей уже гораздо слабее, следовательно, стало излучением абсолютно черного тела. По мере остывания Вселенной частота этого излучения постепенно снижалась. Гамов и его ученики подсчитали, что это излучение гораздо слабее инфракрасного и относится к микроволновому диапазону. Гамов пришел к следующему выводу: исследуя небеса в поисках постоянного изотропного источника микроволнового излучения, можно выявить это микроволновое излучение и уловить эхо Большого взрыва.

О предсказании Гамова не вспоминали много десятилетий, до тех пор пока в 1965 г. случайно не было открыто микроволновое фоновое излучение. Включив новую рупорнопараболическую антенну в Холмделе, Нью-Джерси, Пензиас и Уилсон обнаружили, что все пространство пронизано неким таинственным фоновым излучением. Поначалу они решили, что нежелательное излучение вызвано электростатическими помехами от загрязнений: например, от птичьего помета на их антенне. Но после демонтажа и чистки больших модулей антенны выяснилось, что «статика» устояла. В то же время физики из Принстонского университета Роберт Дикке и Джеймс Пиблс задумались над давними расчетами Гамова. Когда Пензиасу и Уилсону наконец сообщили о работе принстонских ученых, стало ясно, что между результатами, полученными обеими группами, есть прямая связь. Говорят, когда физики поняли, что фоновое излучение может оказаться эхом изначального Большого взрыва, то воскликнули: «Либо мы видели кучу птичьего дерьма, либо сотворение Вселенной!» Они убедились, что постоянное фоновое излучение почти точно соответствует предсказаниям, сделанным много лет назад Георгием Гамовым и его коллегами для случая, если от Большого взрыва действительно сохранился остаточный слой излучения, остывшего до 3 К ^[106].