Маленькая книга о Большом взрыве - Тони Ротман Страница 20

Ни одно математическое рассуждение не может подтвердить, что галактические скопления расположены во Вселенной случайным образом. Это неизбежно влечет за собой вопрос: как же тогда возникла крупномасштабная структура Вселенной? Если бы космологический принцип был до конца верен, ни сети на картинке, ни нас с вами просто бы не было. Если мы согласимся с тем, что наша Вселенная сегодня неоднородна, нам также придется признать, что однородный Большой взрыв породил Вселенную, которая в самом начале была однородной, но очень быстро перестала быть таковой. Еще важнее, что при таком сценарии стандартная модель должна превратиться в ту, где обычная материя и излучение уступают место темной материи и темной энергии.

* * *

Пожалуй, главной задачей космологии на протяжении последних четырех десятилетий было понять крупномасштабное устройство Вселенной. Ключом к этому пониманию стало CMBR – реликтовое излучение. Несмотря на то что с тех пор, как его открыли, CMBR еще три десятилетия продолжало считаться полностью однородным, космологи понимали, что галактики в известном нам виде должны были начать формироваться в то же время, когда возник наблюдаемый нами космический микроволновый фон, то есть спустя 380 тыс. лет после Большого взрыва. Таким образом, этот фон должен был бы нести в себе слабые отпечатки возникновения галактик.

Когда в 1992 году спутнику COBE все-таки удалось обнаружить эти следы, ажиотаж начался не только в популярной прессе, но и среди известных космологов: все они в один голос твердили об «отпечатках руки Бога». Разумеется, команда COBE откупорила заслуженную бутылку шампанского, и все же космологи понимали, что ситуация была бы куда интересней, если бы наблюдения ничего не выявили. По-настоящему физика расцветает именно тогда, когда что-то где-то идет не так и в результате теории не соответствуют наблюдениям. В нашем же случае результаты наблюдений просто подтвердили высказанные ранее теоретические предположения. Теория формирования галактик (именно так я для краткости буду называть формирование крупномасштабной структуры Вселенной) – это, возможно, самый изящный пример цельности космологической науки. Она демонстрирует, как точные наблюдения, физика частиц и математическое мышление вместе помогают нам создать убедительную картину Вселенной.

* * *

Сам процесс формирования галактик, если смотреть на него максимально просто, выражается в борьбе гравитации с расширением Вселенной: гравитация стремится придать материи структуру, а расширение Вселенной стремится этому помешать. Кто же в итоге выиграет?

Прежде чем дать ответ, нам надо определить, с чем мы имеем дело, и расставить точки над i. В физике на настоящий момент существуют три объекта исследований: частицы, поля и волны. В глазах ученого-физика все, что не является частицей, является полем, а все, что не является ни тем ни другим, должно быть волной. Ньютонова физика является физикой частиц, а современные теории поля относятся к физике поля и волн (последнюю прекрасно иллюстрирует обсуждение энергии вакуума в главе 8). Настоящий физик всегда умеет оперативно свести любую проблему либо к волнам, либо к полям, либо, если речь идет о формировании галактик, к звуковым волнам и электромагнитному полю.

Как и любая волна, кроме световой, звуковая волна представляет собой возмущение, распространяющееся в некоем проводнике – например, в воздухе. Для примера рассмотрим стереодинамик. Он производит колебания, которые попеременно то сжимают воздух возле него, то позволяют этому воздуху расширяться или, как еще говорят физики, разжижаться. К примеру, если взять небольшой пакет, наполненный воздухом, и начать его постепенно сжимать, давление внутри пакета в один прекрасный момент возрастет до таких значений, что не даст ему сжаться сильнее, после чего само же заставит пакет расшириться обратно. Когда давление внутри пакета опускается ниже давления воздуха снаружи, воздух, находящийся снаружи, опять его сдавливает. Воздух ведет себя как пружина.

Итак, динамик производит серию колебаний, которые распространяются по комнате. Эти колебания создают звуковую волну, как показано на рис. 12. Скорость движения волны при этом зависит от плотности воздуха и давления. Чем жестче среда, в которой распространяется волна, тем выше скорость звука. В стали, например, она чуть-чуть не дотягивает до 6 км/с, а это в 17 раз выше скорости звука в воздухе.

Рис. 12

При прохождении звуковой волны атмосферное давление, то есть плотность воздуха, колеблется, ее значения формируют классическую синусоиду, как показано на рис. 12. Расстояние между двумя соседними максимумами и минимумами колебаний называется длиной волны возмущения. На слышимых частотах эта длина составляет 1 метр.

А теперь давайте выйдем на свежий воздух. Атмосфера Земли – это большая комната, которая давно рухнула бы под воздействием гравитации, если бы не давление воздуха. В реальной же атмосфере давление воздуха остается достаточно высоким, чтобы этого не произошло. Как и внутри комнаты, если высокий столб воздуха хоть немного сожмется в атмосфере, давление возрастет и заставит его расширяться. Столб продолжит расширяться, пока давление внутри него не упадет до уровня давления воздуха снаружи, после чего он начнет снова сжиматься. Физики говорят, что атмосфера устойчива к воздействию гравитации и гравитационному коллапсу. Просто ей свойственны «акустические колебания» – забавный термин для звуковых волн.

Но давайте представим, что толщина земной атмосферы была бы равна тысяче земных диаметров. В таком случае ее вес оказался бы больше, чем могло выдержать атмосферное давление, и она бы коллапсировала, не осциллируя.

* * *

Аналогичная ситуация царила в ранней Вселенной. Сразу после Большого взрыва первичный бульон из частиц был равномерно распространен по Вселенной, но спустя некоторое время гравитационное притяжение материи заставило его сгущаться то тут, то там. Атмосферного давления в ранней Вселенной не было, зато было световое. Мы уже знаем из главы 5, что фотоны до начала эпохи рекомбинации не могли преодолевать большие расстояния, не столкнувшись с электроном. Ударяясь о материю, фотоны оказывали на нее давление, словно ветер на паруса космического корабля, движимого солнечным светом. Это давление не позволяло материи коллапсировать под действием собственного веса, создавая акустические колебания, похожие на звуковые волны в воздухе.

Главное различие между воздухом в комнате и светом в ранней Вселенной состоит в том, что первичный бульон ранней Вселенной был намного плотнее, чем воздух. Скорость звука в стали – притом что она тверже воздуха – больше, чем в воздухе, в 17 раз, а в ранней Вселенной величина скорости «звука» составляла 60 % от скорости света. Соответственно, первые структуры во Вселенной должны были бы образоваться из столь плотного материала, что даже самая маленькая структура была бы массивнее сверхскопления галактик с видимой массой около 1016 солнц и развалилась