Говерт Шиллинг - Складки на ткани пространства-времени [Эйнштейн, гравитационные волны и будущее астрономии] [litres]

В намного более давнем прошлом, примерно в то время, когда галактики только начали образовываться, все расстояния составляли 1/10 от нынешних, а плотность Вселенной была в тысячу раз выше (объем составлял 1/1000 сегодняшнего: 1/10 × 1/10 × 1/10). Но бесконечность, деленная на 10, – все равно бесконечность, то есть и тогда Вселенная была бесконечной.

Почти 13,8 млрд лет назад, всего через несколько сот тысяч лет после Большого взрыва, космические расстояния составляли около 1/1000 (десятую долю процента) своих текущих значений. Галактики и звезды еще не образовались. Вселенная была наполнена горячим нейтральным газом, главным образом водородом и гелием. Ее плотность была в миллиард раз выше, чем сейчас (поскольку объем равнялся одной миллиардной современного: 1/1000 × 1/1000 × 1/1000), температура достигала нескольких тысяч градусов Цельсия. Вся Вселенная светилась горячим ослепительным светом, как поверхность Солнца. Но и тогда она должна была иметь бесконечные размеры.

Забираемся в прошлое еще дальше, и как плотность, так и температура Вселенной увеличиваются до экстремальных. Они настолько высоки, что невозможно существование электрически нейтральных атомов и даже протонов или нейтронов (см. главу 5) – только кипящий бульон элементарных частиц и высокоэнергетических протонов.

Что же такое Большой взрыв?

В каком-то смысле это и был Большой взрыв. Говоря о Большом взрыве, космологи обычно имеют в виду это сверхплотное сверхгорячее первоначальное состояние Вселенной. Они могут рассчитать, как выглядела Вселенная в возрасте 10 лет или года, трех минут или доли секунды. Прекрасно! Но у нулевого момента времени их теории рассыпаются. Подлинный источник Вселенной – тайна. Пока тайна.

Можно представить себе эту картину иначе. Давным-давно плотности и температуры были экстремально высоки везде во Вселенной. Абсолютно каждая точка пространства когда-то находилась в сверхплотном и сверхгорячем первоначальном состоянии Вселенной. Если бы мы перенеслись на машине времени на 13,8 млрд лет назад в ту же самую точку пространства, в которой находимся сейчас, то были бы сожжены первичной плазмой – как и в любой другой точке Вселенной. Вы, наверное, уже догадались, к чему я веду: Большой взрыв произошел везде .

Итак, мы имеем галактики, разнесенные на большие дистанции, как изюминки в тесте, световые волны, растянувшиеся за миллиард лет пути через расширяющееся пространство, Вселенную, возможно всегда имеющую бесконечные размеры, и Большой взрыв, произошедший везде. Мне остается рассказать о послесвечении творения, важном для нашего знакомства с волнами Эйнштейна.

Прежде, однако, я должен объяснить, что такое космический горизонт. Космический горизонт определяет, насколько глубоко во Вселенную мы можем заглянуть.

Было бы наивностью считать, что астрономы могут смотреть на любое желаемое расстояние – дайте им телескоп побольше, и они смогут наблюдать более далекие галактики. Это рассуждение не учитывает ограниченности скорости света – и ограниченного возраста Вселенной.

Какое отношение скорость света (300 000 км/с) имеет к нашей возможности заглядывать в глубины космоса? Определяющее. Дело в том, что смотреть далеко в пространство означает также смотреть далеко в прошлое.

Ясной летней ночью вы можете увидеть яркую звезду Денеб в созвездии Лебедя – огромная сияющая звезда легко различима невооруженным глазом, несмотря на дистанцию около 2600 св. лет. Эта означает, что свету Денеба требуется 2600 лет, чтобы дойти до Земли. Иными словами, свет, который мы видим сегодня, был излучен 2600 лет назад, примерно в то время, когда родился древнегреческий философ Фалес Милетский. Мы видим эту звезду не такой, какова она сейчас , а какой она была больше двух с половиной тысячелетий назад. Мы смотрим в прошлое.

(Если вам интересно – да, это означает, что звезды Денеб, возможно, уже не существует. Если она взорвалась в 400 г., свет взрыва дойдет до нас не раньше, чем через тысячу лет от настоящего момента.)

Теперь обратимся к галактике NGC 474, с которой уже познакомились. Расстояние до нее – порядка 100 млн св. лет. Свет, который мы принимаем сегодня, был излучен, когда по Земле еще бродили динозавры. Наблюдая NGC 474, астрономы заглядывают в прошлое на 100 млн лет. Неудивительно, что телескопы иногда называют машинами времени!

Возможность видеть прошлое имеет то преимущество, что позволяет космологам изучать эволюцию Вселенной. Хотите знать, как Вселенная выглядела около 8 млрд лет назад? Нацельте телескоп на галактики, удаленные на 8 млрд св. лет (или, точнее, на галактики, удаленные настолько, что их свет, двигаясь через расширяющееся пространство, затрачивает 8 млрд лет на путь до нас). 10 млрд лет назад? Загляните еще дальше.

Есть и недостаток – фундаментальный предел нашей способности заглянуть в космос. Если наша Вселенная родилась 13,8 млрд лет назад, то это максимальное время, которое свет мог провести в пути. Мы просто не способны увидеть прошлое, отдаленное от нас хоть сколько-нибудь более чем на 13,8 млрд св. лет. Вселенная может быть бесконечной, но мы имеем возможность наблюдать лишь относительно малую ее часть – сферическую область радиусом 13,8 млрд св. лет с центром в Млечном Пути. Эту область мы называем наблюдаемой Вселенной. Поверхность этой сферы – наш космический горизонт.

В этой связи важно отметить несколько моментов. Во-первых, вы, вероятно, заметили, что я решил придерживаться неточной, с научной точки зрения, традиции превращать время движения света в расстояние. В действительности истинный нынешний радиус нашего космического горизонта составляет порядка 42 млрд св. лет. Но соотносить дистанцию и взгляд в прошлое один к одному очень удобно.

Во-вторых – и это очень важно, – космический горизонт есть фундаментальный предел наших возможностей наблюдения. Никакой телескоп, сколь угодно большой и мощный, не покажет, что находится дальше. Это просто невозможно.

В-третьих, чем старше становится Вселенная, тем больше наблюдаемая Вселенная. Каждый год ее радиус увеличивается на еще один световой год. К сожалению, рост наблюдаемой Вселенной не компенсирует расширения пространства, скорость которого увеличивается (читайте об этом в главе 16).

В-четвертых, любое местоположение во Вселенной имеет собственный космический горизонт. Представьте корабль в океане. У каждого корабля свой горизонт, центром которого он является и за пределы которого моряки этого корабля заглянуть не могут. Аналогично каждый наблюдатель во Вселенной находится в центре маленькой персональной наблюдаемой Вселенной.

В-пятых, космический горизонт не физический объект. Инопланетный наблюдатель, находящийся точно на нашем горизонте, ничего интересного не увидит. Его непосредственное окружение будет выглядеть так же, как наше: стареющие звезды, зрелые галактики. В конце концов, он живет в той же самой Вселенной возрастом 13,8 млрд лет, что и мы. Но и мы будем находиться на его горизонте. Вглядываясь в безбрежное пространство в нашем направлении, наш инопланетный друг будет смотреть на 13,8 млрд лет в прошлое, на эпоху задолго до рождения нашей галактики Млечный Путь, не говоря уже о Солнце и Земле.