смесь, состоящая из «обычной» материи, то есть знакомой нам материи, которую можно противопоставить загадочной «темной материи», обсуждаемой в главе 4. Обычная материя существовала лишь в нескольких основных разновидностях: протоны, электроны, ядра гелия (состоящие из двух протонов и двух нейтронов), поток фотонов и поток частиц-«призраков», называемых нейтрино.
За следующие 3800 столетий, пока расширение Вселенной продолжало уменьшать энергию беспокойных частиц, мало что изменилось. Она оставалась непрозрачной для фотонов, которые могли преодолевать лишь крошечные расстояния, прежде чем встречали свободно движущиеся электроны и отскакивали в другом направлении. Даже если бы у вас была возможность увидеть всю Вселенную, вы и тогда бы не смогли этого сделать, поскольку фотоны, направляющиеся к сетчатке вашего глаза, за наносекунды или пикосекунды до того, как достигнуть ее, отражались бы от электронов прямо перед вашим лицом и создавали светящийся туман во всех направлениях. Электроны оставались свободными, потому что удары гигантского количества фотонов мешали их естественному стремлению создавать атомы, выходя на орбиты вокруг протонов или ядер гелия. Все вновь созданные атомы немедленно разрушались, когда в них попадали энергичные фотоны и выбивали из них электроны. Эти постоянные взаимодействия между фотонами и материей сгладили Вселенную, так что каждый кубический сантиметр стал иметь почти одинаковую плотность материи, одинаковое количество фотонов и одинаковую температуру на протяжении всего ее пространства.
Космологи характеризуют море фотонов, подобных тем, что наполняют Вселенную, исходя из понятия описательной температуры. Любой объект с температурой выше абсолютного нуля (скажем прямо, что ни один объект не имеет такой температуры) будет излучать фотоны различной энергии, но в основном с энергией, зависящей от его температуры. Ваше тело, например, имеющее температуру около 310 градусов выше абсолютного нуля, излучает преимущественно инфракрасные фотоны. Ученые определяют эту температуру как 310 К, где К обозначает абсолютную температуру по шкале Кельвина, которая начинается с 0 в точке абсолютного нуля и делится на те же температурные интервалы между градусами, что и шкала Цельсия. Гораздо более горячие объекты – например, звезды – излучают большую часть своих фотонов с энергиями, характерными для видимого света. Температура частиц, обладающих массой, изменяется прямо пропорционально средней кинетической энергии частицы, и наоборот. Пик энергии излучения, производимого частицами, определяется температурой этих частиц. Когда астрофизики говорят, например, что излучение Солнца имеет характерную температуру 6000 К, они подразумевают, что газ, испускающий это излучение, имеет такую же температуру.
Создание нового пространства гораздо легче описать, чем представить. Тем не менее этот процесс продолжается до сих пор, а значит, энергия всех частиц по-прежнему уменьшается. В конце концов, в настоящее время не осталось ни одного фотона, который обладал бы таким количеством энергии, чтобы с ее помощью освободить электроны из атома. Однако фотоны, хоть и лишенные энергии, могут свободно путешествовать по космосу со скоростью света. Начало «эпохи разделения», наступившей через 380 000 лет после Большого взрыва, считается одной из ключевых вех в космической истории, потому что знаменует переход от непрозрачной Вселенной к прозрачной. С тех пор фотоны, наполнявшие (и продолжающие наполнять) космос, беспрепятственно путешествуют по пространству, изменяясь только за счет постоянного уменьшения их энергии, вызванного расширением Вселенной. Появившись как гамма-излучение, фотоны постепенно превратились в ультрафиолетовые, видимые и инфракрасные фотоны, при этом они никогда не переставали быть фотонами, несмотря на то, что длина их волн увеличивается, а энергия, наоборот, уменьшается.
Астрофизики придумали термин «реликтовое излучение», чтобы описать вселенское множество фотонов, вырвавшихся на свободу после того, как атомы получили возможность формироваться и сохраняться по всей Вселенной. Сегодня, спустя 13,8 миллиарда лет после рождения Вселенной, фотоны реликтового излучения сместились вниз в рамках спектра, превратившись в микроволновое, или сверхвысокочастотное (СВЧ), излучение. Вот почему астрофизики называют его космическим микроволновым фоном, хотя термин «реликтовое излучение» все же пользуется большей популярностью. Пройдет еще сотня миллиардов лет, Вселенная станет еще огромней и прохладнее, и астрофизики будущего назовут наше реликтовое излучение космическим радиоволновым фоном.
Наблюдая реликтовое излучение, мы изучаем фотоны, путешествовавшие почти 14 миллиардов лет. А учитывая тот факт, что любые фотоны, возникшие до момента разделения, тоже путешествовали далеко от нас со скоростью света в течение того же периода времени, можно сделать вывод: раз реликтовое излучение поступает к нам почти в одинаковом количестве со всех сторон, значит, Вселенная была однородной почти повсюду.
Но почему нас должно волновать это излучение? Что интересного может сообщить нам космическое море фотонов? Ответ имеет огромную информационную ценность: эти фотоны несут отпечаток давно минувшего прошлого, самого давнего, которое только можно наблюдать (за исключением еще более отдаленного прошлого, которое человечество сможет наблюдать в XXII веке), и раскрывают важнейшие факты о молодой Вселенной, когда ее возраст был меньше одной сорокатысячной нынешнего возраста.
Особое удовлетворение астрофизикам доставляют крошечные различия в количестве и энергии фотонов реликтового излучения, которые приносит к нам из разных направлений. Эти вариации обусловлены неравномерным распределением вещества в эпоху разделения. В некоторых областях плотность материи была чуть выше средней, в некоторых – чуть ниже. Вся структура современной Вселенной отражает эти различия в плотности, потому что море фотонов накапливало их все это время. Области с более высокой плотностью имели больше шансов сформировать огромные скопления галактик; области с более низкой плотностью были лишены возможности концентрировать материю и превратились в пустоты.
Реликтовое излучение – прекрасный пример того, как появление результатов достаточно точных наблюдений приводит к победе одной из соперничающих теорий. Это открытие примечательно тем, что существование реликтового излучения было предсказано еще до того, как ученые получили возможность наблюдать его, и в данном случае предсказание было сделано за два десятилетия до появления технологии, позволившей доказать его верность. В 1927 году бельгийский католический священник Жорж Леметр, который также был космологом (в чем, конечно, есть определенный смысл), основываясь на общей теории относительности Альберта Эйнштейна, создал концепцию «первоначального атома» – по сути дела предтечи модели Большого взрыва. Двадцать лет спустя, следуя рассуждениям Леметра, физик украинского происхождения Георгий Гамов (к тому времени гражданин США) в сотрудничестве с Ральфом Алфером и Робертом Херманом пришел к выводу, что ранняя Вселенная должна была быть чрезвычайно горячей, а затем постепенно охлаждаться. Алфер и Херман использовали законы физики для описания расширения Вселенной после момента разделения, когда образовались первые атомы, а фотоны смогли свободно перемещаться в пространстве, и пришли к выводу, что теперь реликтовое излучение должно иметь температуру, близкую к 5 К.
Да, их подсчет оказался неверным – сегодня мы знаем, что фактическая температура реликтового излучения составляет 2,73 градуса по шкале Кельвина. Но это не умаляет того факта, что эти трое ученых пришли к верному выводу об устройстве мира в столь древнюю космическую эпоху – и это достижение не менее важно, чем любое другое в истории науки. Взять за основу базовые закономерности физики, сидя в уютной лаборатории, и выявить с их помощью крупнейший комплекс данных, когда-либо измеренных, – получить кривую температурной истории Вселенной, – если это не сногсшибательно, то тогда вообще неясно, что можно считать таковым. Профессор Джон Ричард Готт III, астрофизик Принстонского университета, дал следующую оценку этому успеху в своей книге «Путешествия во времени в эйнштейновской Вселенной»[7]:
«Предсказать существование излучения и затем предположить значение его температуры, ошибившись менее чем в два раза, – это замечательное достижение: это как если бы вы предсказали, что летающая тарелка диаметром 50 футов[8] приземлится на газон у Белого дома, и затем стали свидетелем того, как именно туда прилетает и садится 27-футовая[9] тарелка».
Когда Гамов, Алфер и Херман озвучили свои предположения, физики все еще не имели на руках точной истории зарождения Вселенной. В 1948 году, когда увидела свет работа Алфера и Германа, в Англии также вышли две научные статьи о теории «стационарной Вселенной». Одна из них была написана математиком Германом Бонди и астрофизиком Томасом Голдом, а другая – космологом Фредом Хойлом. Согласно теории стационарной Вселенной, последняя, хотя и расширяется, всегда выглядела и выглядит одинаково. Надо признать, эта гипотеза весьма привлекательна своей простотой. Но так как Вселенная все же расширяется, а стационарная Вселенная не могла бы вчера оказаться более горячей или более плотной, чем сегодня, сценарий Бонди, Голда и Хойла предполагает, что она постоянно «пополняется» новым веществом как раз с нужной скоростью для того, чтобы плотность бесконечно расширяющегося космоса не менялась. В противовес этому теория Большого взрыва (такой «кличкой» ее презрительно наградил Хойл, не зная, что она приживется) подразумевает, что все вещество, имеющееся сегодня во Вселенной, появилось разом. Некоторые находят в этой идее определенное утешение. Обратите внимание: теория стационарной Вселенной просто отодвигает в неопределенное прошлое сам вопрос о ее возникновении как таковом – уж очень удобная позиция для тех, кто предпочел бы вообще не касаться этой колючей темы.