Брайан Клегг - Вселенная внутри вас Страница 20

Спектр электромагнитного излучения

За ультрафиолетовым излучением следуют рентгеновские и гамма-лучи, обладающие еще большей энергией. Разница между ними заключается в способе их образования. Источ ником рентгеновских лучей, как и обычного света, являются электроны, находящиеся на внешних оболочках атомов и отдающие свою энергию. Гамма-лучи образуются в ядрах атомов. Диапазоны этих двух видов излучения в значительной степени перекрывают друг друга. В силу исторических обстоятельств и то и другое мы по привычке называем лучами, хотя это, по сути, те же самые фотоны, но только с более высоким уровнем энергии.

Эхо Большого взрыва?

Все эти фотоны различных видов, включая и видимый свет, поступают к нам со звезд. Чем больше времени им для этого требуется, тем дальше в прошлое вы можете заглянуть. Фотоны, которые прошли самый длинный путь, иногда называют эхом Большого взрыва, и для этого есть все основания. Они идут отовсюду и ниоткуда.

Хотя телевизоры с ручной настройкой, улавливающие аналоговый сигнал (в отличие от современного цифрового вещания), встречаются в наше время сравнительно редко, вам, вероятно, доводилось их видеть, и вы могли наблюдать на экране «снег» из белых точек, когда телевизор не настроен на какой-то определенный канал. Часть этих помех имеет земное происхождение, а часть – космическое. Такой телевизор фактически является грубой моделью радиотелескопа, улавливающего фотоны, которые отправились в путешествие примерно через 300 тысяч лет после Большого взрыва, то есть более 13 миллиардов лет назад.

Радиотелескопы вы, скорее всего, тоже видели, по крайней мере на фотографиях. Как правило, это огромные тарелки, порой достигающие сотен метров в поперечнике. Они играют роль зеркал в оптических телескопах, собирая радиосигналы из отдаленных источников и фокусируя их на принимающую аппаратуру. Правда, если для улавливания фотонов, образовавшихся в результате Большого взрыва, вы используете телевизор, вам не надо направлять антенну в ту точку, где он произошел. И тут возникает важный вопрос: если Вселенная, согласно теории Большого взрыва, образовалась в одной точке, то где же эта точка находится?

Поднимите вверх палец одной руки примерно в 30 сантиметрах от кончика носа. Теперь поднесите к нему почти вплотную палец другой руки. Как раз между пальцами и находится то место, где произошел Большой взрыв.

Вы удивлены? Откуда я могу знать, что сейчас вы стоите именно на том месте, где родилась Вселенная?

Расширение Вселенной

Чтобы дать ответ на этот вопрос, необходимо сначала объяснить еще одну странность Вселенной. Почти все галактики удаляются от нас. Исключение составляют лишь очень близкие галактики вроде Андромеды (а она действительно очень близка по космическим меркам – всего каких-то 2,5 миллиона световых лет!). Как ни удивительно, но мы, кажется, оказались в самом центре Вселенной, где и произошел Большой взрыв. Это даже слишком удивительно.

Чтобы понять, почему Большой взрыв произошел буквально у вас под носом и почему мы оказались в центре Вселенной, купите воздушный шарик. Нанесите на него фломастером несколько точек. Они будут символизировать галактики. Слегка надуйте шарик и отметьте, на каком расстоянии друг от друга находятся галактики. Надуйте его посильнее и повторите измерение. Что происходит?

Точки, обозначающие галактики, удаляются друг от друга. Однако на самом деле они не перемещаются по поверхности шарика, а по-прежнему остаются на том же участке резины, где и были раньше, вот только сам шарик становится больше. Поэтому, в какой бы точке пространства вы ни находились, все галактики будут удаляться от вас, и ни одна из них не может претендовать на центральное место во Вселенной.

А теперь начинайте выпускать воздух из шарика. Он становится все меньше и меньше. Похоже на то, как если бы вы запустили время вспять. В действительности шарик будет уменьшаться до тех пор, пока не достигнет первоначального размера. Но представьте, что он продолжает уменьшаться, пока не превратится в крошечную точку. В эту точку войдет каждый участок резины шарика. Какой бы фрагмент надутого шарика вы ни выбрали, он будет находиться в этой точке. Таким образом, Большой взрыв произошел повсюду во Вселенной. Где бы вы ни находились, вы можете с полным правом сказать, что это и есть место Большого взрыва, потому что вся Вселенная является той точкой, с которой все началось.

Почему же некоторые галактики движутся в нашем направлении? Потому что сила тяжести сближает их быстрее, чем происходит расширение Вселенной. Примерно через пять миллиардов лет Андромеда врежется в наш Млечный Путь, и после возникшего в результате хаоса со временем образуется новая супергалактика. Если вы тревожитесь по поводу судьбы Земли, успокойтесь. Во-первых, вы до этого не доживете, а во-вторых, Земля к тому времени будет поглощена расширяющимся Солнцем, которое превратится в красного гиганта.

Таким образом, Большой взрыв произошел повсюду во Вселенной. Поэтому для улавливания эха Большого взрыва, или, говоря научным языком, фонового космического излучения, вам не нужен направленный радиотелескоп. Оно идет отовсюду. Если бы ваши органы чувств были способны улавливать микроволны, вы бы повсюду видели свечение, оставшееся с раннего периода Вселенной. Оно фиксируется с помощью специальной аппаратуры.

Мы не можем проследить все события вплоть до самого Большого взрыва, потому что в самом начале Вселенная была настолько компактна и заполнена энергией, что свет не мог пробиться сквозь нее. Это примерно то же самое, что попытка видеть сквозь Солнце. Однако спустя 300 тысяч лет Вселенная достаточно охладилась и стала прозрачной для гамма-лучей, обладавших колоссальной энергией, то есть для света в его самой мощной форме.

Все это время Вселенная продолжала расширяться, создавая больше и больше пространства для света (который шел отовсюду). Одним из следствий расширения пространства является снижение уровня энергии. Представьте себе, что кто-то бросает в вас тяжелый мяч. А теперь представьте, что он бросает в вас тот же мяч, но при этом убегает от вас на полной скорости. Во втором случае мяч ударит вас слабее, потому что в нем меньше энергии. Часть ее будет потрачена на преодоление дистанции. Точно так же свет из расширяющейся Вселенной обладает меньшей энергией, чем первоначально. А если фотоны теряют энергию, то они смещаются в нижнюю часть спектра.

Видимый свет сдвигается в сторону красной части спектра (так называемое красное смещение), а гамма-лучи со временем постепенно превращаются в рентгеновские, ультрафиолетовые, видимый свет, инфракрасное излучение и, наконец, в микроволны. Именно эти микроволны, улавливаемые спутниками, позволяют составить представление о последствиях Большого взрыва и создают помехи на телевизионных экранах.

А был ли Большой взрыв?

Здесь следует сделать небольшую оговорку. Теория Большого взрыва является на данный момент самым подтвержденным предположением о том, с чего началась Вселенная, однако ее нельзя считать абсолютной истиной. Кроме того, серьезные ученые обсуждают и некоторые другие теории. Нам приходится иметь дело с косвенными данными, и не только потому, что мы не способны заглянуть за границу 300 тысяч лет с момента образования Вселенной. Все свидетельства, которыми мы располагаем, подтверждают теорию Большого взрыва, но имеются и некоторые неувязки.

Например, согласно теории Большого взрыва, исходной точкой являлась так называемая сингулярность, в которой не существовало ни пространства, ни времени и для которой была характерна бесконечно высокая плотность и температура. Но когда речь заходит о бесконечных величинах, становятся бесполезными все уравнения, способные предсказать поведение системы. Теория, на которой основана идея Большого взрыва, в этот момент перестает работать. Поэтому мы не можем быть абсолютно уверены в том, что Большой взрыв стал началом всего, так как математический аппарат, используемый в расчетах, отказывает как раз в тот момент, когда он нужнее всего.

Существуют другие теории, которые позволяют обойти проблемы, связанные с сингулярностью, но и они не лишены недостатков. На данный момент Большой взрыв остается самой лучшей теорией, поэтому имеются все основания признать ее как факт. Однако лабораторных экспериментов, которые мы могли бы провести для ее подтверждения, не говоря уже о прямых наблюдениях в космосе, не существует. Это умозаключение, полученное на основании различных косвенных свидетельств. Мы имеем дело всего лишь с моделью.

Игры с моделями