В том, что видимая картина мироздания может оказаться обманчивой, люди убеждались не один раз. Так, например, долго-долго казалось совершенно очевидным, бесспорным, что не Земля вращается вокруг Солнца, а оно ходит вокруг нашей Земли.
Потом рассеялось и другое заблуждение: выяснилось, что нет никакой "сферы неподвижных звезд". А ведь в ее существовании были уверены такие крупные ученые мира, как Аристотель, Птолемей, Коперник. Ну а теперь каждый школьник знает, что звезды не прикреплены ни к какой сфере, находятся от нас на разных расстояниях и движутся в пространстве. Затем, уже в ХХ веке, астрономы раскрыли тайну многочисленных туманных пятнышек на небе. Оказалось, что это - звездные системы, подобные нашей Галактике, что они удаляются и друг от друга и от нас. Так постепенно человек стал ощущать себя жителем расширяющейся Вселенной, звучит это как-то не очень понятно, даже загадочно. И осознать, что же все это на самом деле означает, оказалось совсем не просто.
В предыдущей беседе (см. "Наука и жизнь" № 12, 1997 г.) уже рассказывалось о том, как ученые поняли, что Вселенная (Метагалактика) состоит из многих миллиардов галактик, подобных нашему Млечному Пути, и что все галактики с огромными скоростями удаляются друг от друга. Американский астроном Эдвин Хаббл открыл закон, который назвали его именем, и этот закон помог установить, что чем дальше галактика (или какой-то другой внегалактический объект), тем с большей скоростью он удаляется от нас.
Так вот, галактики, разделенные расстоянием 1 Мпк (это 3,08.1019 км), бегут друг от друга со скоростью от 50 до 100 км/с. Таково расширение Вселенной сейчас. Каким оно было прежде и каким станет в будущем, пока можно лишь догадываться. Допустим, в прошлом темп расширения был таким же. Тогда возраст Метагалактики скорее всего близок к 15 миллиардам лет. И это означает, что расширение Метагалактики - самое грандиозное из известных в настоящее время явлений природы - началось примерно полтора десятка миллиардов лет назад.
Что же тогда случилось? Почти все современные ученые убеждены в том, что началось с расширения "огненного шара", и потом был Большой взрыв.
Мысленно перенесемся в ту эпоху и постараемся представить, как все происходило. Этот вопрос довольно подробно разбирает разработанная астрофизиками теория, которую называют теорией "горячей Вселенной". Она исходит из того, что сразу же, в первые мгновения после взрыва, Вселенную заполнило вещество, обладавшее огромной температурой и сверхбольшой плотностью (отсюда и название теории - "горячая Вселенная").
Это сверхплотное и сверхгорячее вещество физики и астрофизики называют первичной плазмой. Здесь мы должны сделать небольшое отступление и кое-что пояснить.
Еще древние греки догадывались о том, что все окружающие нас тела и вещества состоят из мельчайших неделимых частиц - атомов. Древние оказались правы. Из атомов состоим мы сами, все животные и растения, и наши дома, и наша Земля, и Луна, и Солнце, и звезды. Все химические элементы - водород и гелий, железо и кремний, углерод и уран тоже состоят из атомов. В основе большинства земных и некоторых небесных тел не просто атомы, а построенные из атомов молекулы, иногда - простые, а иногда и чрезвычайно сложные.
Такова окружающая нас земная и небесная природа в настоящее время. Но сразу после Большого взрыва она была совсем иной. Впрочем, и сейчас разные небесные тела устроены не одинаковым образом. Например, на раскаленном Солнце даже самые простые молекулы встречаются редко и лишь там, где температура ниже, чем обычная температура солнечной поверхности. Например, на солнечных пятнах. А вокруг пятен и тем более внутри Солнца так жарко, что там не только молекулы, но даже атомы распадаются на составляющие их менее сложные частички (ядра атомов, электроны и т. д.).
Мы знаем, что в центре Солнца температура около 15 миллионов градусов. В "горячей Вселенной" она была во много раз выше. Значит, в начале расширения Вселенной при такой температуре не могли существовать никакие химические элементы. В первичной плазме могли быть лишь "кирпичики", из которых потом начали складывать ся различные химические элементы.
По мере расширения Вселенной температура ее вещества уменьшалась. Как только она охладилась до 4000 К, в первичной свободной плазме частицы начали объединяться. Из таких хорошо известных в настоящее время элементарных частиц, как протоны и нейтроны, возникло вещество, состоящее из ядер самых легких химических элементов - водорода (его во Вселенной 75 процентов - по массе) и гелия (около 25 процентов).
В дальнейшем наиболее существенное событие в истории развития Метагалактики произошло примерно через 300 тысяч лет, когда температура понизилась до 3 тысяч градусов (то есть стала ниже той, которую мы сейчас наблюдаем в солнечных пятнах). Ученые говорят, что тогда наступила "эра радиации". Появились условия, при которых среда стала прозрачной для излучения (радиации). Радиация словно оторвалась от вещества, с которым до того она была связана неразлучно. Излучение, как и вещество, охлаждалось по мере расширения Метагалактики. В начале "эры радиации" его температура была тоже примерно 3 тысячи градусов, а сейчас (спустя миллиарды лет, прошедшие с начала расширения Вселенной) - всего 3-4 градуса. Заметим, что речь идет о так называемой абсолютной шкале температур, в которой нуль соответствует минус 273 градусам по шкале Цельсия.
После "эры радиации" наступила продолжающаяся до сих пор "эра вещества". В ней происходило и происходит расширение Метагалактики. Постепенно создались условия, подходящие для процесса рождения галактик с их звездами и планетами. И, в частности, нашей Солнечной системы, без которой нас не могло бы быть.
Все это время плотность расширяющейся среды уменьшалась. Буквально через несколько минут после начала расширения она стала близкой к плотности воды, еще спустя несколько часов плотность Вселенной можно было сравнить с нынешней плотностью воздуха у поверхности Земли. В наше время средняя плотность вещества Метагалактики ничтожно мала, она близка к величине 10_28 кг/мз.
Человеку, который впервые знакомится с теорией "горячей Вселенной", все, о чем мы здесь рассказываем, может показаться малоправдоподобной сказкой. Однако большинство специалистов в области астрофизики и космологии относятся к теории "горячей Вселенной" серьезно и уважительно. Вот что писал по этому поводу наш известный физик-теоретик академик Я. Б. Зельдович: "Теория "Большого взрыва" в настоящий момент не имеет сколько-нибудь заметных недостатков. Я бы даже сказал, что она столь же надежно установлена и верна, сколь верно то, что Земля вращается вокруг Солнца. Обе теории занимали центральное место в картине мироздания своего времени, и обе имели много противников, утверждавших, что новые идеи, заложенные в них, абсурдны и противоречат здравому смыслу. Но подобные выступления не в состоянии препятствовать успеху новых теорий". Чтобы так решительно отстаивать теорию "горячей Вселенной", нужно было иметь важные доказательства того, что эта теория верна и подтверждается данными, полученными из непосредственных наблюдений.
И такие данные действительно существуют. Вот главные из них.
Во-первых, возраст небесных тел, в том числе и нашего Солнца, меньше возраста Метагалактики. И это полностью согласуется с данными теории "горячей Вселенной". Во-вторых, во Вселенной по сей день больше всего водорода (около 75 процентов) и гелия (около 25 процентов). Остальные химические элементы, образовавшиеся значительно позже (например, в ходе процессов, происходящих внутри звезд), представляют собой лишь небольшую "примесь" к водороду и гелию (хотя без этой "примеси" планеты и жизнь на них никогда не могли бы возникнуть). Факт такого количественного соотношения химических элементов во Вселенной свидетельствует в пользу теории "горячей Вселенной". И, наконец, в-третьих (может быть, это - самое главное доказательство), - открытие реликтового излучения. Современным ученым удалось обнаружить то излучение, которое когда-то (в далекую от нас "эру радиации") начало свое самостоятельное странствие по Вселенной.
Это важнейшее открытие было сделано сравнительно недавно. В 1964-1965 годах молодые американские радиоастрономы А. Пензиас и Р. Вильсон занимались отладкой радиоантенны для работы по программе спутниковой связи. Радиосигналу, который принимала антенна, все время мешал какой-то посторонний шум, от него невозможно было избавиться. Как потом выяснилось, он оказался реликтовым излучением "горячей Вселенной", излучением, которое специалисты уже многие годы пытались уловить. Пензиас и Вильсон стали лауреатами Нобелевской премии 1978 года.
Итак, мы познакомили вас с историей рождения нашей Вселенной. Пересказали, конечно, лишь в самых общих чертах, суть теории "горячей Вселенной". Привели некоторые основные доказательства в ее защиту.
Есть, конечно, и другие точки зрения, объясняющие возникновение и эволюцию нашей Вселенной. Но на данном этапе развития науки теория Большого взрыва и "горячей Вселенной" довольно успешно выдерживает конкуренцию. Большинству ученых нашего времени она представляется хотя и удивительной, но все же наиболее правдоподобной.
