Основы реальности. 10 фундаментальных принципов устройства Вселенной - [44]

Долгоживущее послесвечение

Послесвечение фотонов, возникшее в момент, когда огненный шар только-только охладился и стал прозрачным, впервые обнаружили в 1964 году Арно Пензиас и Роберт Уилсон[99]. Эти фотоны подверглись сильному красному смещению и теперь представляют собой в основном микроволновое излучение — то же, которое используется в СВЧ-печах. Они образуют так называемый космический микроволновый фон, или КМФ («реликтовое излучение»). КМФ — это образ ранней Вселенной, рассеянный по небу в невидимом «свете». Теория Большого взрыва не только предсказывает существование космического микроволнового фона, но и может многое сказать о его составе, в частности об интенсивности излучения на различных частотах. И здесь тоже наблюдения совпадают с предсказаниями.

Реликты

Когда бушующий огненный шар из кварков, антикварков и глюонов остывает, частицы начинают слипаться в протоны и нейтроны, образуя атомные ядра. Модель Большого взрыва позволяет рассчитать их относительное количество. Оказывается, значительная часть нашего потенциального строительного материала — ядра обычного водорода (¹H — одиночный протон) и гелия (⁴He — два протона и два нейтрона). Есть также примеси дейтерия (²H — один протон и один нейтрон, изотоп водорода), трития (³He — два протона и один нейтрон, изотоп гелия) и лития (⁷Li — три протона и четыре нейтрона). Все эти изотопы обнаружились благодаря методам спектроскопии в предсказанных пропорциях в средах, где не происходили процессы их переработки[100]. Все другие виды ядер образовались на гораздо более поздних этапах космической истории. Наблюдать и понимать их возникновение страшно интересно, но их связь с основными принципами не такая прямая.

БУДУЩЕЕ КОСМИЧЕСКОЙ ИСТОРИИ

Инфляционная модель

Как я подчеркивал выше, теория Большого взрыва полна странностей. Она предполагает существование условной отправной точки и постулирует, что материя в ранней Вселенной была чрезвычайно тонко организована, а точнее — крайне однородна, но ее гравитационная нестабильность нивелировалась.

Еще один таинственный аспект я прежде упомянул лишь вскользь, потому что детальное объяснение прервало бы мой рассказ[101]. Теория Большого взрыва предполагает, что пространство евклидово, то есть «плоское».

Этот постулат согласуется с общей теорией относительности Эйнштейна, но все же необязателен. Теория относительности готова допустить и кривизну пространства. Нам нужна какая-то новая идея, объясняющая, почему природа не использует эту возможность.

Мой коллега из Массачусетского технологического института Алан Гут высказал по этому поводу блестящую и многообещающую мысль. Он предположил, что в начале истории Вселенная чрезвычайно быстро расширилась, и назвал этот процесс инфляцией (от лат. inflatio — «раздувание»). Интуитивно понятно, как это может помочь в поиске ответов на наши вопросы. Если Вселенная быстро расширяется, концентрация неоднородности материи падает, а также уменьшается ее кривизна[102].

Действительно ли подобное произошло? Хотелось бы так думать, но было бы хорошо конкретизировать представления о том, как это случилось, и найти более веские свидетельства в пользу инфляционной модели.

Эта гипотеза не вытекает логически из наших основных законов. Для инфляции требуются дополнительные факторы. Андрей Линде и Пол Стейнхардт высказали предложения о некоторых силах и полях, которые могли бы ее запустить, но пока их существование ничем не подтверждено. Обоснованная инфляционная модель помогла бы нам более тщательно проверить основную идею и выявить новые следствия. К сожалению, пока такой модели нет. Зато остается огромный простор для открытий.

Вперед в прошлое

Космический микроволновый фон — долгоживущее послесвечение Большого взрыва — открывает нам окно в раннюю историю Вселенной. Как вы помните, его составляют фотоны, присутствовавшие в огненном шаре, когда он только охладился и стал прозрачным. Это случилось примерно через 380 000 лет после Большого взрыва. По сравнению с 13,8-миллиардолетним возрастом Вселенной срок невероятно короткий; множество интересных событий произошло еще раньше.

Мы хотели бы изучить и их тоже. Провести подобное «расследование» будет непросто, но надежда есть. Например, в окружающем нас пространстве должно быть еще минимум два других послесвечения. Их происхождение примерно такое же, как у космического микроволнового фона. Они образуют потоки нейтрино и гравитонов[103].

Поскольку и нейтрино, и гравитоны слабо взаимодействуют с другими видами материи, огненный шар стал для них прозрачным намного раньше, чем для фотонов. Как следствие, долгоживущие послесвечения нейтрино и гравитонов хранят еще более древние сообщения. В частности, гравитоны могут дать нам представление о том, что случилось через малые доли секунды после Большого взрыва, — и преподнести много сюрпризов. Мы могли бы узнать, что происходит при гораздо более экстремальных температурах и других параметрах, чем все достижимое в земных лабораториях и, скорее всего, вообще где-либо в современной Вселенной. Например, если бы нам повезло, мы увидели бы вспышку гравитационного излучения, испускаемого быстродвижущимся веществом во время космической инфляции.