Борис Штерн - Прорыв за край мира

Для описания темпа расширения Вселенной используется постоянная Хаббла, обозначаемая H . Астрофизики ее выражают в привычных себе единицах — свежайшее значение постоянной Хаббла H = 68 ± 0,9 км/с на мегапарсек. Смысл тот, что галактики, отстоящие от нас на один мегапарсек, удаляются в среднем со скоростью 68 км/с. Однако внимательный читатель может заметить, что мегапарсек можно выразить в километрах (310 19км), и тогда расстояние вообще выпадает из определения величины, остаются обратные секунды, а именно 2,3·10 -18с -1, что равно единице, поделенной на 14 млрд лет. В знаменателе не случайно оказалась величина, близкая к возрасту Вселенной: если бы темп расширения был постоянным, то стартовать оно должно было бы 14 млрд лет назад. Но в классическом варианте Фридмана Вселенная расширяется с замедлением, значит, ее возраст заметно меньше 14 млрд лет, что приходит в противоречие с возрастом самых старых звезд. Это противоречие нашло разрешение лишь в конце 1990-х годов. Но не будем на сей раз забегать вперед.

Еще одна важнейшая геометрическая вещь во Вселенной — горизонт. Если Вселенная возникла 13,8 млрд лет назад, то ее первые лучи не могли распространиться дальше, чем на 13,8 млрд световых лет. В принципе, это расстояние можно принять за размер горизонта — это проще всего, и большой ошибки не будет. Но то, что мы видим, например, на карте реликтового излучения, испущенного 13,8 млрд лет назад, сейчас из-за расширения Вселенной ушло от нас более чем в два раза дальше (какое-то время точки, где сейчас находимся мы и где был испущен первый видимый луч, удалялись друг от друга со сверхсветовой скоростью). Поэтому размер области, о которой мы можем что-то знать, — это 45 млрд световых лет. Если мы видим, например, пятно пониженной яркости на карте реликтового излучения, то можем сказать, что в данном направлении на расстоянии примерно 45 млрд световых лет от нас находится войд — область, где нет скоплений галактик. То есть мы имеем информацию о том, что находится за 45 млрд световых лет от нас, точнее, информацию о том, что было там давным-давно. А то, что сейчас, можем грубо прикинуть. Это и есть общепринятое определение горизонта. О том, что еще дальше, мы ничего не знаем в принципе.

Если Вселенная — физический объект, то какова ее температура? Температура нашей среды обитания никакого отношения к температуре Вселенной не имеет — мы живем вблизи источника энергии и вдали от теплового равновесия. Что покажет градусник, если поместить его в межгалактическом пространстве, подальше от всех галактик и их скоплений?

В принципе, показания термометра в межгалактической пустоте никак не связаны с энергией редких частиц газа, находящихся там, — их слишком мало. Показания определятся балансом поглощения и излучения электромагнитных волн телом термометра. Если падающие на термометр электромагнитные волны — лишь свет звезд и излучение пыли в далеких галактиках, то термометр покажет около градуса Кельвина или чуть меньше. Но это будет не та температура! В нынешней Вселенной глобального теплового равновесия нет. А в ранней — было!

Первые 380 тыс. лет во Вселенной вещество и излучение находились в состоянии термодинамического равновесия при общей температуре. Отклонения от равновесия на некоторых этапах были, но скорее как исключение. Вселенная расширялась, и ее температура падала с расширением по адиабатическому закону (грубо говоря, тепло совершает работу по расширению Вселенной). Затем, когда плазма превратилась в нейтральный газ, Вселенная вышла из термодинамического равновесия: была потеряна связь между излучением и веществом. Часть вещества стала сгущаться и разогреваться. Но излучение, которое с тех пор живет само по себе, продолжая остывать по тому же самому адиабатическому закону, осталось тепловым по всем своим характеристикам. У этого излучения, называемого реликтовым, есть определенная температура и логично именно ее приписать нынешней Вселенной. Оказывается, именно она определяет показания термометра в межгалактическом пространстве. В 1965 году это излучение зарегистрировали и вскоре его температуру измерили с хорошей точностью. Она оказалась равной 2,7 градуса Кельвина. Именно эту температуру покажет термометр в межгалактическом пространстве. Кстати, разница между градусом (равновесие со светом звезд) и 2,7 градуса очень велика — плотность энергии излучения пропорциональна четвертой степени температуры. Плотность энергии реликтового излучения в сотню раз выше, чем у света звезд вдали от галактик.

В физической Вселенной менялось также состояние вещества. Одно из самых важных изменений состояния — рекомбинация водорода, произошедшая в возрасте 380 тыс. лет. Вещество из состояния полностью ионизованной плазмы перешло в газ нейтральных атомов — именно поэтому тогда тепловое излучение потеряло связь с веществом.

Вселенная также характеризуется уравнением состояния. Оно определяется как связь между плотностью энергии, е (куда входит и энергия покоя вещества), и давлением. До конца 1990-х годов думали, что давление близко к нулю; такое уравнение состояния называется «пылевым». Оказалось, что сейчас давление материи во Вселенной отрицательно — об этом пойдет речь ниже. Отрицательным давление было не всегда. Первые 80 тыс. лет в энергетическом балансе Вселенной доминировала радиация, и давление было положительным и очень высоким. На возраст 80 тыс. лет пришлось равенство энергий излучения и вещества, а еще раньше имел место предельный случай ультрареля-тивистского уравнения состояния: р = 1/3 ε .

Выше речь шла о Вселенной, подчиняющейся решению Фридмана, но с давних пор существует еще решение де Ситтера для однородной пустой вселенной с лямбда-членом. Это вечно расширяющаяся вселенная, причем расширяющаяся экспоненциально: за каждую единицу времени расстояние между любыми двумя точками увеличивается в (не «на» а «в») постоянное число раз:

В своем чистом виде решение описывает некий парадоксальный стационарный мир. Тем не менее, запомним о его существовании! Решение де Ситтера, оказывается, имеет близкое отношение к действительности.

Если Вселенная — физический объект, не значит ли это, что таких объектов много? Конечно, значит! И из множественности вселенных вытекает возможное решение ряда каверзных вопросов, касающихся нашей собственной, единственной доступной для наблюдений. Но об этом тоже ниже.

В науке достаточно яркий след оставили не только правильные теории и концепции, но и некоторые красивые заблуждения. Автор одного из таковых — английский астрофизик Фред Хойл.

Он вошел в историю в четырех ипостасях: как один из пионеров теории нуклеосинтеза в звездах, как автор научно-фантастических романов, как поборник теории панспермии и как упрямый безуспешный борец с концепцией Большого взрыва (между прочим, термин Big Bang, вольно переведенный на русский как «Большой взрыв», придумал именно он).