4. Теория большого взрыва
Если принять гипотезу разбегания галактик, то возникает вопрос: когда этот процесс начался, ведь он должен иметь начало во времени? На этот вопрос дает ответ гипотеза Большого взрыва. Ее предложил в 1948 году Георгий Антонович Гамов (1904 – 1968), который в 1933 году эмигрировал из Советского Союза и принял американское гражданство. По этой гипотезе, приблизительно 15 млрд. лет тому назад вся материя Вселенной была сосредоточена в сгустке материи ничтожного размера, сопоставимого с размером атома. У него была чудовищная плотность порядка ρ ≈ 1093г/см3 и температура порядка Т = 1032 К. Такое состояние материи получило название сингулярности. Произошел Большой взрыв, «первотолчок», который явился рождением Вселенной.
Согласно гипотезе, Вселенная стала стремительно расширяться. Увеличение ее размеров повлекло за собой такое же стремительное уменьшение плотности и температуры. Значительные изменения во Вселенной происходили в течение секунд и даже ничтожных долей секунды.
В конце первой секунды температура опустилась до 1010 К. В пространстве хаотически перемещались различные элементарные частицы: тяжелые протоны и нейтроны, легкие электроны, фотоны и нейтрино.
По расчетам Гамова, в первые сотни тысяч лет существования Вселенной фотоны – частицы света – были связаны с протонами, нейтронами, электронами и не могли свободно перемещаться в пространстве, и поэтому Вселенная была непрозрачной. Через 380 000 лет после Большого взрыва ее температура понизилась до 3 000 К. При таких условиях протоны и нейтроны стали объединяться в ядра атомов, а фотоны перестали взаимодействовать с элементарными частицами и стали свободно распространяться по Вселенной, и она стала прозрачной. Это освобождение фотонов было предсказано Гамовым и получило название реликтового, т.е. древнего, излучения. Около двух десятков лет ученые безуспешно пытались его обнаружить.
В 1964 году американские астрофизики Арно Пензиас (род. 1933) и Роберт Вилсон (род. 1941) из города Холмдейла готовили к началу работы радиометр – устройство для связи со спутниками. Долгое время они не могли избавиться от радиопомех. Отчаявшись, они обратились к теоретикам из соседнего Принстона. И получили неожиданный ответ: радиопомехи – ни что иное как реликтовое излучение. Ученые из Принстонского университета были весьма разочарованы, ведь они как раз построили установку для поиска этого излучения и уже готовили ее к работе. И Нобелевскую премию по физике 1978 года получили именно Пензиас и Вилсон, которые открыли реликтовое излучение, не ставя перед собой такой задачи.
Микроволновое излучение равномерно заполняет всю Вселенную. Если бы человеческий глаз был способен воспринимать микроволны, мы бы видели повсюду ярко пылающее небо. Считается, что это свечение и есть реликтовое излучение.
Разбегание галактик и реликтовое излучение – наиболее сильные аргументы в пользу гипотезы Большого взрыва.
В первичном веществе протоны значительно преобладали над нейтронами. Поэтому после образования ядер атомов остались свободные протоны. Они образовали водород, благодаря которому появились звезды, в том числе, и наше Солнце, вода, жизнь, человечество. Таким образом, начальные моменты Вселенной определили ее последующую эволюцию.
Ньютон высказал фундаментальную космогоническую гипотезу. Он рассчитал, что вещество, равномерно рассеянное по бесконечному пространству, не смогло бы образовывать отдельные тела. Но в однородной Вселенной стали появляться случайные сгущения вещества. Они становились центрами притяжения, к которым под влиянием гравитации присовокуплялись окружающие более мелкие образования. Эта идея Ньютона явилась краеугольным камнем современных космогонических теорий.
Согласно гипотезе Большого взрыва, через 1 млрд. лет после рождения Вселенной стали появляться галактики и звезды. В веществе возникали флуктуации15 плотности – отклонения от среднего значения. Силы тяготения внутри подобных областей проявляют себя более значительно, чем за их пределами. Внутри этих образований плотность вещества возрастала. Эти уплотнения постепенно превратились в галактики, а впоследствии и в отдельные звезды.
Не следует уподоблять Большой взрыв бомбе, разорвавшейся в центре Вселенной. Это было резкое расширение самого пространства, которое скорее напоминало стремительное надувание воздушного шара. Расширение пространства коренным образом отличается от расширения в пространстве.
Представим себе воздушный шар, на котором краской нарисованы пятна. Они символизируют галактики. Если шар надувать, его поверхность будет увеличиваться, а вместе с ней будет возрастать расстояние между пятнами.
Мы наблюдаем далекие небесные тела с тем бóльшим опозданием, чем дальше они от нас расположены. Мы видим космические объекты на окраине Метагалактики такими, какими они были миллиарды лет назад.
Квазары – квазизвездные источники радиоизлучения ‒ самые удаленные от нас объекты, а значит, и самые старые из видимых нами. Их светимость колоссальна. Квазары обладают ничтожной протяженностью, по космическим меркам, не больше Солнечной системы в поперечнике. Однако в радиодиапазоне они излучают столько энергии, сколько несколько галактик. Среди близких галактик подобных объектов нет.