Лоуренс Краусс - Всё из ничего [litres]

Видеть сквозь стены моей комнаты я не могу, потому что они непрозрачные. Они поглощают свет. Так вот, если я буду смотреть в небо – все дальше и дальше в прошлое, – то я увижу Вселенную, которая будет чем дальше, тем моложе и жарче, потому что с момента Большого взрыва она только и делает, что остывает. Если я загляну достаточно далеко в прошлое, во времена, когда Вселенной было около 300 000 лет, то увижу, что ее температура составляла тогда около 3000 градусов по шкале Кельвина. При такой температуре фоновое излучение было настолько энергичным, что могло разбивать преобладающие во Вселенной атомы – атомы водорода – на отдельные составляющие, протоны и электроны. До этого времени нейтрального вещества не существовало. Обычное вещество во Вселенной, состоящее из атомных ядер и электронов, в ту пору представляло собой плотную плазму из заряженных частиц, взаимодействовавших с излучением.

Плазма же может быть непроницаемой для излучения. Заряженные частицы в плазме поглощают фотоны и испускают их заново, и излучение не способно беспрепятственно пройти через подобный материал. В результате, когда я пытаюсь заглянуть в прошлое, то не вижу ничего дальше того времени, когда вещество во Вселенной состояло в основном из такой плазмы.

Это очень похоже на стены моей комнаты. Я вижу их только потому, что электроны в атомах на поверхности стены поглощают фотоны света в моем кабинете, а потом излучают их заново, а воздух между мной и стеной прозрачен, поэтому я вижу все до самой поверхности стены, которая отражает свет. Так и во Вселенной. Когда я заглядываю в нее, то вижу все до этой «поверхности последнего рассеяния» – границы, на которой Вселенная становится нейтральной: протоны соединяются с электронами и возникают нейтральные атомы водорода. Ближе этой границы Вселенная в основном проницаема для излучения, и я вижу излучение, которое поглощается и испускается электронами, с тех пор как вещество во Вселенной стало нейтральным.

Именно поэтому картина Вселенной, где произошел Большой взрыв, предполагает , что от этой поверхности последнего рассеяния в мою сторону должно отовсюду идти излучение. Поскольку Вселенная с тех пор расширилась примерно в 1000 раз, излучение по пути к нам остыло, и теперь его температура всего на 3° выше абсолютного нуля. Именно этот сигнал и обнаружили двое ничего не подозревавших ученых из Нью-Джерси в 1965 г. и впоследствии получили за это открытие Нобелевскую премию.

Более того, недавно за исследование реликтового излучения присудили еще одну Нобелевскую премию, и вполне заслуженно. Если бы мы могли сфотографировать поверхность последнего рассеяния, у нас получилась бы картина новорожденной Вселенной, возраст которой составляет всего-то 300 000 лет. Мы бы увидели все структуры, которым предстояло в один прекрасный день сколлапсировать в галактики, звезды, планеты, инопланетян и все прочее. А главное, эти структуры не были бы затронуты последовавшей динамической эволюцией, способной скрыть первоначальную природу и происхождение крошечных первичных возмущений вещества и энергии, которые, как предполагают, возникали в результате экзотических процессов в первые мгновения Большого взрыва.

Однако для наших целей важно другое: эта поверхность будет иметь характерный масштаб, наложенный самим временем. Вот как это проще себе представить: если взять на поверхности последнего рассеяния участок размером около 1°, это будет соответствовать расстоянию на этой поверхности примерно в 300 000 световых лет. Далее, поскольку поверхность последнего рассеяния отражает ситуацию в тот момент, когда Вселенной было около 300 000 лет, а Эйнштейн учит нас, что информация не может перемещаться быстрее света в вакууме, следовательно, в то время никакой сигнал не мог переместиться по этой поверхности дальше, чем на расстояние в 300 000 световых лет.

Теперь рассмотрим сгусток вещества размером меньше 300 000 световых лет. Этот сгусток начинает коллапсировать под воздействием собственной гравитации. Однако сгусток размером больше 300 000 световых лет даже не начнет этого делать, потому что он еще не «знает», что является сгустком. Гравитация сама по себе распространяется со скоростью света, поэтому не успевает пересечь сгусток целиком. То есть этот сгусток, совсем как герои американского мультика про Хитрого койота и Дорожного бегуна, когда они сбегают с утеса и зависают в воздухе над обрывом, сидит и ждет, когда Вселенная станет старше, – и только тогда он поймет, что ему пора схлопываться!

Рассмотрим этот особый треугольник, одна из сторон которого равна 300 000 световым годам и удалена от нас на известное расстояние – расстояние до поверхности последнего рассеяния, как показано на рисунке.

Самые большие сгустки материи, которые уже начали схлопываться, создавая нарушения в общей картине реликтового излучения, будут иметь как раз такие угловые размеры. Если мы сможем получить изображение этой поверхности, какой она была в то время, можно ожидать, что «горячие пятна» в среднем будут как раз самыми крупными сгустками, видимыми на нем.

Однако будет ли максимальный угол, под которым видна эта дистанция, составлять ровно 1°, на самом деле определяется геометрией Вселенной. В плоской Вселенной световые лучи описывают прямые линии. В открытой Вселенной световые лучи, когда прослеживаешь их обратно во времени, изгибаются наружу, а в замкнутой – сходятся. Таким образом, то, под каким углом мы увидим линейку длиной 300 000 световых лет, расположенную на расстоянии, связанном с поверхностью последнего рассеяния, зависит от геометрии Вселенной – это видно из рисунка.

Таким образом, мы получаем прямой и надежный способ определить геометрию Вселенной. Поскольку размер самых больших горячих и холодных пятен на общей картине реликтового излучения зависит лишь от принципа причинности – от того, что гравитация распространяется только со скоростью света, и, следовательно, размеры самой большой области, которая могла в то время сколлапсировать, зависят только от того, на какое максимальное расстояние мог распространиться луч света в то время, – и поскольку угол, под которым мы видим линейку фиксированной длины, определяется исключительно кривизной Вселенной, то простая картина поверхности последнего рассеяния и покажет нам, какова крупномасштабная геометрия пространства – времени.

Первый эксперимент, в ходе которого попытались проделать подобное наблюдение, был проведен на аэростате в Антарктиде в 1997 г. и назывался BOOMERanG [15] BOOMERanG расшифровывается как Balloon Observations of Millimetric Extragalactic Radiation and Geophysics, «Аэростатные наблюдения миллиметрового внегалактического излучения и геофизика». – Прим. ред. . Повод для выбора такого названия был очевиден: к высотному аэростату прикрепили микроволновой радиометр, как можно увидеть на фото.