Издательство «Бомбора» представляет книгу астрофизика из Парижского университета Марка Лашье-Рея «Эйнштейн на отдыхе. Постигаем теорию относительности» (перевод М. С. Соколовой). Эта небольшая книга без суеты и лишних подробностей объяснит, как и почему теории Эйнштейна произвели революцию не только в нашем представлении о пространстве, времени, материи и свете, но во всем мировоззрении.
Предлагаем прочитать фрагмент книги.
Конец взаимодействий «свет — материя»
Вернемся мысленно к плотной и горячей фазе формирования Вселенной, чтобы понять причины появления реликтового излучения. На этом этапе формирования Вселенной вся материя была ионизирована: того, что мы сегодня именуем атомами, попросту еще не существовало (то есть атомных ядер, к которым привязаны окружающие их электроны), заряженные частицы свободно циркулировали. Это были протоны (зачатки ядер водорода, некоторое количество ионизированных ядер будущих атомов гелия) и свободные электроны. Среда была переполнена энергией, бесконечно происходили соударения между чрезвычайно энергичными фотонами и остальной материей: стоило только электрону присоединиться к какому-нибудь ядру и сформировать первичный атом, как его немедленно атаковал фотон.
В свою очередь, фотоны постоянно сталкивались не с нейтральными, а с электрически заряженными электронами и ядрами протоатомов. Эти столкновения меняли направление их движения и изменяли их энергию: шел процесс «диффузии», рассеяния фотонов, похожий на тот, что происходит в тумане, когда свет отражается мириадами крошечных капелек воды. Результат был аналогичным — лучи света не могли распространяться свободно, ничего не было видно, среда была не прозрачна (хоть и заполнена электромагнитным излучением — немного похоже на то, как это происходит внутри Солнца).
Итак, первичная Вселенная была совершенно непрозрачна (обладала свойствами абсолютно черного тела), и ни один наблюдатель не смог бы и надеяться увидеть в ней хоть что-нибудь, сколько бы ни светил туда или ни пытался поймать исходящий луч света. Однако по мере расширения Вселенной шли процессы инфляции и охлаждения: снижение плотности и температуры изменило ситуацию. Соударения фотонов с материей становились всё более редкими. Когда их количество уменьшилось, протоны смогли начать формировать устойчивые соединения с электронами, началось образование первых атомов водорода. Эта фаза называется фазой рекомбинации (между ядрами и электронами).
Она завершила стадию непрозрачной, черной Вселенной. Фотоны активно взаимодействовали с ионизированной, электрически заряженной материей до рекомбинации атомов, но с атомами они перестали реагировать из-за их нейтральности, отсутствия у них электрического заряда. Когда основная масса материи предстала в форме нейтральных атомов водорода, реликтовые фотоны смогли начать перемещаться свободно, без столкновений. В этот момент Вселенная стала прозрачной.
Фаза рекомбинации закончилась 380 тысяч лет спустя после окончания первичного нуклеосинтеза (чуть раньше, чем 13 миллиардов лет назад). Материя начала долгий процесс концентрации под влиянием гравитации (фаза получила название гравитационной нестабильности), что привело к появлению звезд и галактик; первичные же фотоны продолжили распространяться, почти не встречая на своем пути препятствий. Они и представляют собой то самое реликтовое фоновое излучение, открытое Пензиасом и Уилсоном. Реликтовое излучение подтверждает существование той отдаленной эпохи, когда формировалась Вселенная, это ископаемое наследство времен ее юности. Его детальное исследование позволило ученым сделать множество открытий.
Происхождение фонового реликтового излучения
Знакомая кривая
В ту эпоху, когда фоновое излучение наконец получило свободу, Вселенная всё еще представляла собой раскаленный «суп», находившийся в термодинамическом равновесии при очень высокой температуре, как в разогретой донельзя печи. А законы физики утверждают однозначно, что излучение, испускаемое раскаленным объектом, обладает одним весьма существенным свойством: его цвет (а точнее, распределение длин волн, именуемое спектром) и интенсивность зависят только от температуры объекта, который излучает!
Излучение всегда состоит из фотонов с различной длиной волны. Спектр показывает пропорциональное соотношение фотонов (и, как следствие, интенсивность излучения) в зависимости от длины волны.
Если излучение испускается в условиях термодинамического равновесия, его спектр имеет весьма характерную и известную форму в виде «колокола», называемую спектром черного тела. Максимум интенсивности характерен для длин волн (то есть цвета), зависящих только от температуры излучающего объекта (см. ниже); мы вернулись к тому же самому…
Спектр черного тела (излучение накала): интенсивность излучения в зависимости от длины волны
Чем выше температура, тем меньше длина волны, расположенной в максимуме кривой (она обратно пропорциональна температуре). Чем выше температура, тем заметнее спектр смещается к более коротким волнам, то есть к волнам с более высоким уровнем энергии (от красного к синему для случая волн видимого диапазона).
В эпоху рекомбинации температура Вселенной приближалась к 3000 К. Кельвин (К) — абсолютная мера измерения температуры, в отличие от относительных мер, выражаемых в градусах. Значение в 0 К означает абсолютный ноль (тот самый, что равен минус 273,15 °C), самую низкую температуру, какую только можно вообразить, соответствующую состоянию — в реальности недостижимому, — в котором атомы становятся абсолютно неподвижны. Выше абсолютного нуля изменение в 1 кельвин соответствует 1 °C (то есть +273,15 K = 0 °C).
Реликтовое фоновое излучение образовалось при температуре в 3000 К. Это соответствует максимуму интенсивности для длины волны около одного микрона, характерной для видимого красного света. Постепенно расширение Вселенной «охладило» излучение, увеличив длину волны каждого из фотонов: сегодня она равна примерно миллиметру, что соответствует длине микрорадиоволн. Поэтому американцы и англичане называют излучение Cosmic Microwave Background (CMB, микроволновое фоновое излучение). Температура его снизилась до 2,735 K.
Чтобы доказать, что фоновое реликтовое излучение имело «спектр черного тела», потребовалось время. Пензиас и Уилсон наблюдали его уже с измененной длиной волны, недостаточной для определения изначального спектра. Лишь некоторые другие измерения позволили получить результаты, способствовавшие формированию представлений о первичном спектральном составе излучения. Однако для корректного анализа всего спектра пришлось выйти за пределы земной атмосферы, поглощающей значительную часть микроволновых излучений. Для окончательного решения задачи в 1988 году NASA запустило спутник COBE (Cоsmic Background Explorer). Уже в 1989 году он показал, что данные фонового излучения с поразительной точностью совпадали с теоретическими расчетами для черного тела. Температура его равнялась около 2,73 К, вне зависимости от направления наблюдения. Больше никаких гипотез ученые не выдвигали: подтверждение теории было чрезвычайно убедительным.
От COBE до «Планка»: всякий раз все больше подробностей
Американский спутник СОВЕ стал также пионером в наблюдении микроскопических анизотропий (изменений температуры в зависимости от расположения участка измерения в космосе) в фоновом космическом излучении. Результаты измерений были обнародованы в 1992 году и произвели сенсацию, принеся Джорджу Смуту и Джону Мазеру, руководителям проекта, Нобелевскую премию по физике 2006 года. Однако картина космического излучения оставалась по-прежнему не очень ясной, поскольку спутник COBE не мог выявить картину с точностью более чем 7° между направлениями наблюдения. Точный космологический результат получить было затруднительно. В следующем десятилетии было запущено несколько проектов, направленных на детальное исследование фонового излучения. В эксперименте BOOMERanG (Balloon Observations Of Millimetric Extragalactic Radiation and Geophysics), к примеру, был использован телескоп, установленный на воздушном шаре. В 1999 году он измерил анизотропию фонового излучения с шагом в один градус, правда на довольно узком участке небесного свода. Зонд WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), отправленный NASA в 2001 году в стратосферу, был более успешен. К 2003 году ему удалось создать полные карты неба, причем для пяти разных длин волн, с шагом всего в 20 угловых минут (треть градуса). Наконец ученые получили ясную и четкую картину фонового излучения!
Третий спутник, произведший масштабные исследования фонового реликтового излучения, получил имя Планка в честь великого немецкого физика. Спутник был запущен в космос Европейским космическим агентством в мае 2009 года и предназначался для получения окончательных, уточняющих картину результатов. В марте 2013 года он прислал на Землю результаты в три раза более точные, чем предшественник, и по девяти различным длинам волн. Эти уточняющие данные позволили скорректировать значения многих космологических параметров. К примеру, возраст Вселенной (почти 13,8 миллиарда лет, чуть старше, чем ранее предполагалось), значение постоянной Хаббла (примерно 67,8 километра в секунду на мегапарсек). Анализ карт, созданных «Планком», до сих пор еще не завершен, но в совокупности с результатами других экспериментов он должен принести нам дополнительные знания. В частности, космологи (и остальные физики) с нетерпением ждут данных о гравитационных волнах (см. главу 8), которые могли образоваться на самой начальной стадии истории Вселенной.