Большой взрыв и реликтовое излучение

Давным-давно, эдак 14 миллиардов лет назад, во Вселенной… ничего не было. В центре этого самого «ничего» находилось так называемое «космическое яйцо» — сгусток вещества чудовищной плотности. Один кубический сантиметр его весил миллиарды миллиардов тонн.

Фото: большой взрыв и реликтовое излучение
Потом «космическое яйцо» по неизвестным причинам взорвалось. Сжатые до предела нейтроны — частицы, из которых состояло яйцо, — обретя свободу, стали распадаться на электроны и протоны. Нераспавшиеся же нейтроны соединялись с этими протонами и электронами, вследствие чего на свет появились первые атомы.

Новорождённая Вселенная

Так в упрощённом виде выглядит теория «горячего Большого взрыва» американского физика русского происхождения Георгия Гамова (1904-1968).
Почему горячего? Да потому что, по Гамову, температура нейтронно-протонно-электронной смеси, из которой состояла новорождённая Вселенная, превышала 3 миллиарда градусов.
Чем выше температура, тем быстрее идёт синтез элементарных частиц. Спустя некоторое время после «рождения» Вселенной практически все свободные частицы объединились в атомы. В основном это были атомы водорода и гелия, и лишь ничтожную долю новорождённого вещества составляли атомы более тяжёлых элементов.
Это было именно вещество, вещество в чистом, первозданном виде; до группирования его хотя бы в газовые туманности, не говоря уже о звёздах с планетами, должны были пройти сотни миллионов и даже миллиарды лет. Это был своего рода кипящий котёл, в котором постоянно рождались и распадались элементарные частицы. В этом котле, состоящем из высокотемпературной плазмы, частицам было очень «тесно». Поэтому излучение, которое выделялось при синтезе атомов, тут же поглощалось снова. Как говорят физики, первозданное вещество находилось в состоянии «термодинамического равновесия».

Детство, отрочество, юность…

Так продолжалось около 380 миллионов лет. Плазма постепенно остывала и расширялась. «Котёл» как образование компактного объёма перестал существовать. Наконец при температуре около 3000 градусов свободного места между синтезирующимися и распадающимися атомами стало так много, что излучение вырвалось в окружающее пространство.
Поскольку в окружающем пространстве было совершенно пусто, излучению ничего не грозило в смысле поглощения и рассеивания, а его носители — фотоны сверхвысокой частоты — имели практически бесконечное время жизни. Что, как мы увидим в дальнейшем, и помогло земным учёным спустя миллиарды лет восстановить картины рождения и «детских лет» нашей Вселенной.
Далее, вероятно, всё происходило так, как описано в школьном учебнике астрономии. Примерно десять миллиардов лет назад вещество сгустилось в туманности, из которых потом образовались звёздные системы.
В «подростковом» возрасте (около 5 миллиардов лет назад) Вселенная уже представляла собой россыпь галактик с туманностями, вполне или частично образовавшимися звёздными системами с планетами, пульсарами, квазарами и прочими космическими объектами, которыми сейчас любуются астрономы.
4,6 миллиарда лет назад из раскалённого планетарного облака образовалась наша Земля. Миллиард лет назад Земля остыла настолько, что это позволило про-тобактериям выползти на сушу из первобытного океана, где до тех пор «условия проживания» были комфортнее, чем на твёрдой поверхности. 65 миллионов лет назад гигантские рептилии массово вымерли, и маленькие, юркие, похожие тогда на мелких грызунов млекопитающие получили шанс на развитие. А 2 миллиона лет назад предок современного человека решил, что передвигаться на задних конечностях удобнее и экономичнее с точки зрения добывания пищи и обзора окрестностей.
Сейчас Вселенная, по некоторым данным, достигла возраста перехода из юности в зрелость.
Но как же учёные узнали, что всё началось именно с «Большого взрыва»? Что помогло им заглянуть в столь отдалённое прошлое и с неплохой точностью вычислить «дату рождения» Вселенной?

Знаете ли вы что…

Некоторые противники теории Большого взрыва считают, что всё произошло с точностью до наоборот. «До начала времён» было огромное пустое и холодное пространство, которое начало сжиматься и разогреваться.

Реликтовое излучение

В 1941 году канадский астроном Эндрю МакКеллар, наблюдая за созвездием Змееносца, обнаружил в спектре одной из звёзд довольно странные линии поглощения. Странность заключалась в том, что эти линии соответствовали температуре всего лишь на 2,3,градуса выше абсолютного нуля. Абсолютный нуль, как известно, — это 0 градусов по Кельвину или минус 273 градуса по Цельсию. Это температура, при которой прекращается любое тепловое движение.
Открытие МакКеллара, не получив разумного объяснения, было «положено под сукно» до лучших времён. Лучшие времена же наступили лишь четверть века спустя.
За этот промежуток времени Георгий Гамов создал свою теорию Большого взрыва, следствием которого и должно было оказаться наличие излучения примерно похожих характеристик.
В 1955 году загадочное излучение было обнаружено снова в Пулковской обсерватории советскими учёными Тиграном Шмаоновым, Семёном Хайкиным и Наумом Кайдановским. Шмаонов впервые отметил, что интенсивность излучения не зависит от направления на небе и времени наблюдения, и дал ему предварительное название «фоновое излучение». И снова этот факт не получил «широкой огласки» среди научной общественности.
Наконец, в 1965 году американцы Арно Пензиас и Роберт Вильсон построили специальный радиометр, с помощью которого удалось измерить все характеристики излучения и даже установить его температуру — 2,7 К, то есть на 2,7 градуса выше абсолютного нуля, или минус 270,3 градуса по Цельсию. А советский астрофизик Иосиф Шкловский дал этому излучению окончательно утвердившееся в российской науке очень красивое название — реликтовое излучение.
Как оказалось, именно реликтовое излучение является одним из главных доказательств теории Большого взрыва. Именно такие характеристики и должны иметь фотоны, «бежавшие» по расширяющейся и охлаждающейся Вселенной более 13 миллиардов лет и наконец донесшие до Земли эхо Большого взрыва.

Две Нобелевские за одно открытие

13 лет спустя, в 1978 году Пензиас и Вильсон получили за открытие реликтового излучения Нобелевскую премию по физике.
Однако, несмотря на такое «высочайшее одобрение» научной общественности, у теории реликтового излучения нашлись и противники.
В 2004 году появился целый ряд работ, в которых оспаривалась сама его «реликтовость». Да, излучение есть, и характеристики его измерены верно и с высокой точностью, но при чём здесь Большой взрыв?
Развитие космических средств наблюдения позволило установить, что точно такое же излучение возникает и сейчас в недрах звёзд при некоторых процессах, происходящих с атомами водорода. Этот процесс идёт во Вселенной непрерывно и, по мнению авторов работ, не имеет никакого отношения к доказательству (или опровержению) теории Гамова. Никакое это излучение не реликтовое, а просто высокочастотное фоновое!
В результате столкновения двух противоположных точек зрения произошла удивительная вещь. Многие учёные, до того времени не сильно интересовавшиеся реликтовым (или, если угодно, фоновым) излучением, рьяно взялись за эксперименты. И что же — не прошло и двух лет, как в Нобелевский комитет снова поступила заявка на премию за открытие новых характеристик того самого излучения…
Нобелевский комитет заявку удовлетворил. В 2006 году американские физики Джордж Ф. Смут и Джон С. Мэйзер получили Нобелевскую премию по физике за исследование структуры реликтового излучения и обнаружение в нём некоторых неоднородностей. При этом наличие неоднородностей также объяснялось с помощью теории Большого взрыва.
Это был первый случай в истории, когда Нобелевская премия присуждалась дважды, за одно и то же по сути открытие.
Теория Большого взрыва выстояла под напором критики.
Разумеется, и сейчас её противники имеют «много вопросов». Ещё бы — кому не интересно узнать, когда и как именно родилась наша Вселенная?
Для поиска ответов на эти вопросы на космических орбитальных станциях устанавливаются специальные радиотелескопы. Помимо реликтового излучения «главной надеждой» теории Большого взрыва является так называемое «красное смещение». Но это, как говорится, совсем другая история.

Журнал: Тайны 20-го века №23, июнь 2019 года
Рубрика: В мире науки
Автор: Ольга Строгова




Исторический сайт Багира, история, официальный архив; 2010 —