Однако все это время температура материи была настолько высока, что электромагнитное излучение не могло свободно распространяться по Вселенной – его постоянно поглощали и опять излучали высокоэнергичные элементарные частицы. Но когда Вселенной было уже примерно 380 тысяч лет, материя остыла до 3000 градусов по Кельвину, и наступила Эра рекомбинации. При такой температуре уже могут существовать стабильные нейтральные атомы. Поэтому материя уже перестала поглощать свет (из плазмы превратилась в обычный газ), а излучение полностью отделилось от вещества и стало свободно путешествовать по Вселенной. И путешествует оно до сих пор. Его существование предсказал американский физик-теоретик русского происхождения Георгий Антонович Гамов (1904–1968) в своей работе 1948 года, а астрофизики Роберт Вильсон (род. в 1936 г.) и Арно Пензиас (1933–2024) обнаружили при помощи радиотелескопа. Это излучение называется реликтовым, поскольку именно оно осталось после эпохи рекомбинации. Его излучили не звезды, которые появились гораздо позже, а все вещество Вселенной. А значит, реликтовое излучение должно быть везде и по всем направлениям почти одинаковым[141]. Поэтому его еще называют фоновым излучением. Оно содержит в себе информацию о том, в каком состоянии находилась Вселенная на первых этапах своего развития, и может многое нам рассказать о той эпохе.
За время жизни Вселенной реликтовое излучение очень сильно изменилось. Поскольку Вселенная все это время расширялась, то и все волны, проходящие через Вселенную, тоже должны были растянуться. Поэтому длина волны реликтового излучения все эти миллиарды лет становилась все больше и больше. И сегодня это уже не свет, испущенный высокоэнергичными частицами с температурой несколько тысяч градусов, а радиоволна, соответствующая температуре теплового излучения всего лишь на 2,7 градуса выше абсолютного нуля. Так что увидеть его своими глазами мы уже не можем. А вот наши радиоприемники и телевизоры могут ловить эти отголоски Большого взрыва и транслировать нам в виде шипящих помех или ряби на экране.
Но давайте все же вернемся к вопросу о том, где произошел Большой взрыв. Если вы захотите в сегодняшней Вселенной найти ту самую точку, из которой она начала расширяться, то вам это не удастся. Потому что в момент начала расширения всё пространство Вселенной и было этой точкой, т. е. именно из этой точки и появилось всё пространство. В том числе и то пространство, где мы с вами находимся. Так что Вселенная взорвалась сразу везде и расширяется из каждой точки сегодняшнего пространства.
С другой стороны, когда мы слышим слово «взрыв», то сразу представляем себе некий не очень большой объект, например, бомбу, которая взрывается, образуя взрывную волну, распространяющуюся в окружающем пространстве. То есть для осуществления взрыва всегда предполагается наличие внешнего по отношению к бомбе пространства. Но с Большим взрывом дела обстоят совсем иначе – поэтому слово «взрыв» в этом контексте может вводить в заблуждение. Ведь про сингулярность, из которой рождается Вселенная, невозможно сказать, что она где-то находилась. В момент рождения Вселенной всё пространство – это и есть сингулярность, которая не находится нигде. Не существует никакого внешнего по отношению к Вселенной пространства, в которое она помещена и в котором расширяется. Поэтому так поставленный вопрос о месте Большого взрыва не имеет смысла, хотя наш бытовой опыт и здравый смысл подсказывают, что для расширения чего бы то ни было внешнее пространство просто необходимо. Но ранняя Вселенная – это не то место, где интуиция и наглядные образы нашего повседневного опыта могут быть применимы. Нам придется признать, что привычные нам пространство и время когда-то возникли, дав начало всей нашей Вселенной.
Вопрос 64. Чем темная материя отличается от темной энергии?
Наверняка вы что-то слышали про темную материю или темную энергию, составляющие значительную часть всего содержимого Вселенной. Их часто отождествляют друг с другом, хотя это абсолютно разные субстанции. В чем же тогда их отличие и зачем вообще они понадобились физикам? Давайте попробуем разобраться в этом темном деле.
Начнем с темной энергии. В главе «Сколько лет нашей Вселенной и как мы это узнали?» (стр. 327) мы выяснили, что Вселенная постоянно расширяется. Это экспериментальный факт. Более того, детальный анализ многолетних астрономических наблюдений, проведенных в конце 1990‐х годов, показал, что примерно 6–7 миллиардов лет назад это расширение начало ускоряться. Так что в настоящий момент пространство Вселенной не просто расширяется, а расширяется с постоянно возрастающей скоростью. Это плохо согласуется как с нашим повседневным опытом (ведь после взрыва осколки будут разлетаться с постепенным замедлением), так и с принципами общей теории относительности (ведь под действием гравитации пространство должно «сворачиваться», а не «разворачиваться»). Пространство Вселенной ведет себя так, будто в нем действуют силы антигравитации, стремящиеся это пространство «растолкать» в разные стороны. Причем эти силы направлены не в какую-то одну сторону, а действуют во всех направлениях одинаково.
Физики долгое время не могли понять, в чем причина, что вызывает эту антигравитацию. Пока не вспомнили про тот самый лямбда-член, предложенный Эйнштейном для спасения идеи стационарной Вселенной[142]. Оказалось, что именно это дополнительное слагаемое (лямбда-член) отлично подходит на роль антигравитации, вызывающей ускоренное расширение Вселенной. По сути, лямбда-член описывает энергию вакуума или пустого пространства. Так что чем больше этого пустого пространства образуется при расширении Вселенной, тем больше будет энергия вакуума, тем сильнее она будет «расталкивать» пространство. Получается такой самоусиливающийся процесс.
Несмотря на то, что физики смогли математически довольно точно описать эту энергию вакуума, введя в свои уравнения недостающий лямбда-член, остался открытым вопрос о природе этой энергии. Что является ее источником, откуда она появляется и каким законам подчиняется? Ответов на эти и многие другие вопросы у физиков пока нет. Так что эту загадочную энергию пустого пространства назвали темной энергией. И просто так отмахнуться от ее существования невозможно, ведь по современным оценкам темная энергия составляет примерно 70 % от всей материи и энергии, содержащейся в нашей Вселенной. Причем эта доля не постоянна и в дальнейшем будет только увеличиваться. Как это происходит? Пока Вселенная была достаточно молода, в ней обычная материя и излучение доминировали над темной энергией и расширение пространства происходило с небольшим замедлением (гравитация обычной материи была сильнее антигравитации темной материи). Однако примерно 6–7 миллиардов лет назад Вселенная расширилась настолько (пространства стало настолько много), что материя и излучение уже не смогли конкурировать с темной энергией, антигравитация победила, и пространство Вселенной начало расширяться с постоянно увеличивающейся скоростью.
Существуют различные гипотезы относительно дальнейшей судьбы нашей Вселенной. Если дело так дальше и пойдет, то через некоторое время (исчисляемое многими миллиардами лет) даже ближайшие к нам галактики начнут удаляться от нас настолько быстро, что мы (а точнее – наши потомки) уже не сможем их видеть – потому что расстояние между нами будет увеличиваться быстрее скорости света. В дальнейшем отдельные звезды уже в нашей галактике начнут удаляться друг от друга, а затем разлетятся и планетные системы. И этот процесс может продолжаться до тех пор, пока темная энергия не разорвет отдельные атомы, ядра и даже протоны. Такой сценарий называется Большой разрыв.
Существует, однако, и другой сценарий, при котором темная энергия со временем может ослабеть. Тогда во Вселенной начнет преобладать гравитация, которая вынудит пространство начать сжиматься обратно в исходное сингулярное состояние. Такой сценарий называется Большое сжатие.
Какой из сценариев будет реализован, могут сказать только более точные космические измерения, а также новые теории, которые еще предстоит разработать.
Но давайте вернемся к теме нашей главы. Ведь во Вселенной есть еще одна темная субстанция, поведение которой не менее загадочно и непонятно – это темная материя. Изначально ее присутствие было обнаружено при наблюдении за вращением галактик. Оказалось, что все они вращаются совсем не как планетные системы. Согласно закону всемирного тяготения, чем дальше планета находится от звезды, тем меньше скорость ее обращения. Но поведение галактик больше похоже на вращение диска – при удалении от центра угловая скорость звезд очень слабо меняется. Как будто галактики заполнены каким-то невидимым веществом, которое своим гравитационным полем влияет на их вращение.
Это вещество не участвует в электромагнитных взаимодействиях, поскольку не излучает и не поглощает электромагнитные волны. А значит, мы не можем его увидеть. Поэтому эту загадочную субстанцию назвали темной материей или темным веществом. Тем не менее мы можем судить о ее существовании по тем гравитационным эффектам, которые она оказывает на окружающие ее тела, а также по тому гравитационному линзированию, которое испытывает свет, проходя сквозь галактики[143]. На сегодняшний день по данным наблюдения галактик астрофизики научились строить картины распределения темной материи. Т. е. нам даже не нужно ее видеть, чтобы понять, как она распределена в пространстве. Оказалось, что темная материя довольно широко распространена во Вселенной. Более того, она принимала активнейшее участие в формировании галактик и их скоплений. Без нее было бы невозможно существование каких-либо сложных структур во Вселенной, поскольку гравитационного поля обычного вещества недостаточно для того, чтобы собрать столько материи вместе для образования галактик.