Вселенная, жизнь, разум - Шкловский Иосиф Самуилович - Страница 28

Рис. 16. Спектр галактического (I) и изотропного «трехградусного» (II) излучения

Объяснение этого таинственного «трехградусного» излучения, наполняющего всю Вселенную, было дано быстро. Еще в 1948 г. известный физик Г.А. Гамов (тот самый, который за двадцать лет до этого объяснил α-распад радиоактивных ядер на основе представлений квантовой механики) разработал теорию первоначально очень горячей расширяющейся Вселенной. Речь идет о самых ранних этапах ее эволюции, когда не было ни звезд, ни галактик, ни даже тяжелых элементов (ведь последние образуются только в недрах звезд – см. гл. 6). По мере расширения этого чрезвычайно горячего «огненного шара» его температура должна быстро падать (по той же причине, по которой охлаждается расширяющийся в пустоту газ). Наконец, когда температура газа упадет приблизительно до 4000 К (как показывают расчеты, это было тогда, когда «возраст» Вселенной был около 500 тыс. лет, а размеры – примерно в 1000 раз меньше современных), водород перестанет быть ионизованным. После этого заполняющее Вселенную излучение (которое в ту эпоху соответствовало нагретому до 4000 К телу) перестанет взаимодействовать с веществом и в дальнейшем будет менять свою интенсивность и спектральный состав не так, как расширяющаяся материя. Расчеты показывают, что по мере расширения Вселенной это излучение будет все время сохранять свой «равновесный» характер (т. е. описываться известной формулой Планка), а его температура будет убывать обратно пропорционально размерам Вселенной. Между тем газ будет охлаждаться значительно быстрее, обратно пропорционально квадрату «размеров» Вселенной.[35] Так как после «отклейки» излучения от вещества Вселенная увеличила свои размеры более чем в 1000 раз, то сейчас температура заполняющего Вселенную излучения должна быть около 3 К; именно это излучение и было обнаружено сотрудниками лаборатории Белла. Таким образом, это излучение не генерируется какими-либо телами «современной» Вселенной, а отражает ее состояние на раннем этапе эволюции. По этой причине автор книги назвал его реликтовым, и сейчас этот термин получил всеобщее распространение. Подобно тому, как некоторые виды животных и растений являют собой анахронизм и оказываются «застывшими» остатками той жизни, которая была на Земле в прошедшие геологические эпохи (например, сумчатые млекопитающие, некоторые виды рыб и т. д.), трехградусное излучение есть как бы «реликт» давно прошедшего этапа в эволюции мира.

Обнаружение «реликтового» излучения, наряду с открытием Хабблом «разбегания» галактик, является крупнейшим достижением наблюдательной космологии. Оно резко сокращает количество возможных гипотез об эволюции Вселенной. Например, оно наверняка закрывает гипотезу «стационарной», не меняющейся со временем Вселенной, о которой речь шла выше, по крайней мере в ее первоначальном виде. Оно делает также несостоятельной гипотезу пульсирующей между конечными значениями средней плотности Вселенной.

Теперь можно считать полностью доказанным основное положение: Вселенная эволюционирует, и притом сильнейшим образом. Вместе с тем открытие реликтового излучения и его объяснение демонстрирует поистине безграничные возможности познания объективно существующего, реального мира. Стоит немного задуматься: до 1963 г. максимальное наблюдаемое значение красного смещения было г = 0,47 (для радиогалактики 3С 295 – см. гл. 1). В этом случае наблюдаемый объект излучал тогда, когда размеры Вселенной были в полтора раза меньше, чем сейчас, и она была моложе в два раза. Всего лишь 20 лет назад это считалось большим достижением. Открытие квазаров резко увеличило возможности астрономов «заглядывать» в прошлое Вселенной: квазар с z ~ 4 (а такие объекты наблюдаются, см. гл. 6) соответствует размерам Вселенной, уже примерно в 5 раз меньшим, чем сейчас, и возрасту, в 10 раз меньшему! Это, конечно, гигантское продвижение «назад». И вот всего лишь через 2 года после обнаружения квазаров открывается реликтовое излучение, позволяющее наблюдать Вселенную, когда ее размеры были примерно в 1000 раз меньше современных, а возраст – в десятки тысяч раз меньше. И мы «непосредственно» видим, что в столь отдаленную эпоху еще никаких галактик и звезд не было и в помине, а Вселенная представляла собой просто расширяющееся, довольно горячее облако водородно-гелиевой плазмы с плотностью в несколько тысяч частиц на кубический сантиметр. Это – простейшая астрофизическая плазма, сходная с плазмой планетарных туманностей, но только «попроще» – ведь тяжелых элементов, присутствующих в планетарных туманностях, тогда еще не было. Есть, однако, одно существенное различие: в то время как плотность излучения в планетарных туманностях сравнительно невелика, наш «огненный шар» наполнен равновесным планковским излучением, плотность энергии которого на много порядков больше, чем плотность тепловой энергии плазмы.[36] И вот надо представить, что закономерное развитие этого простейшего плазменного облака, наполненного равновесным излучением, привело к той невероятно богатой картине Вселенной, которую мы сейчас наблюдаем. Огромное разнообразие звезд, включая сюда и нейтронные звезды, планеты, кометы, живую материю с ее невероятной сложностью и много еще такого, о чем мы сейчас не имеем даже понятия, – все в конце концов развилось из этого примитивного плазменного облака. Невольно напрашивается аналогия с каким-то гигантским геном, в котором была закодирована вся будущая невероятно сложная история материи во Вселенной… Конечно, это весьма поверхностная аналогия, но чувство безмерного удивления остается, по крайней мере у автора этой книги…

Кто может поручиться за то, что успехи науки в ближайшие несколько лет или десятилетий не позволят «заглянуть» в еще более ранние эпохи эволюции Вселенной? Заглянуть не глазами теоретиков (которым в известных пределах «все позволено»), а найти экспериментально нечто похожее на «реликтовые» кванты, но дающие информацию о гораздо более молодой Вселенной. Какой же она была до того, как излучение «отклеилось» от вещества? Ясно одно: она была еще меньшей, более горячей и более плотной. Никаких квантов излучения от той далекой эпохи сохраниться во Вселенной не могло. Похоже на то, что в принципе, конечно, сохраниться могли только нейтрино, для которых чудовищной плотности слои вещества – не преграда. Возможно, что когда-нибудь удастся наблюдать во Вселенной нейтрино, сохранившиеся во Вселенной от тех времен, когда ее возраст был меньше тысячных долей секунды, плотность превышала ядерную, а температура была выше, чем десятки миллиардов кельвинов, т. е. она была той самой «ядерной сверхчастицей», о которой речь шла в начале этой главы. Сейчас нейтринная астрономия делает свои первые, совсем еще робкие шаги. Ее развитие будет неизбежно сопряжено с огромными трудностями. Но высочайшая цель – найти во Вселенной реальные (т. е. материальные) следы первых мгновений жизни Вселенной – должна оправдать все усилия на трудном пути развития нейтринной астрономии.[37]

Похоже на то, что первые следы уже найдены. Мы уже неоднократно говорили о химической эволюции Вселенной, о ее непрерывном обогащении тяжелыми элементами, возникающими путем нуклеосинтеза в недрах звезд – стационарных и взрывающихся. В частности, в течение многих миллиардов лет происходил процесс обогащения космического вещества гелием за счет водорода. Возникает, однако, вопрос: можно ли таким образом объяснить происхождение всего космического гелия? Оказывается, нет. В противном случае яркость удаленных галактик была бы значительно больше наблюдаемой. Это означает, что большая часть космического гелия (так же как и дейтерия) образовалась на дозвездной стадии эволюции Вселенной. Расчеты показывают, что это было тогда, когда плотность Вселенной была близка к ядерной, а температура исчислялась многими миллиардами кельвинов. Но это означает, что возраст Вселенной исчислялся немногими минутами! Таким образом, хотя и косвенным путем, но, опираясь на реальные астрономические наблюдения галактик, мы можем заглянуть в эпоху, когда она была еще в сотни тысяч раз моложе, чем в эпоху «отклейки» реликтового излучения!