Страница 70 из 76
После тщательного сопоставления опыта и теории и уточненных расчетов в Астрофизический журнал были направлены две статьи. Статья Дике, Пиблса, Ролла и Уилкинсона под названием «Излучение черного тела из космоса» напечатана в 1965 году на странице 414 этого журнала. На странице 419 того же номера можно увидеть статью Пензиаса и Вилсона «Измерение избыточной температуры антенны на 4080 МГц».
В 1978 году, когда выдающееся значение наблюдений Пензиаса и Вилсона, подтвердивших реальность гипотезы Большого взрыва, вытекающей из решения Фридмана, было в достаточной мере осознано, они стали лауреатами Нобелевской премии. Но в 1965 году еще предстояло убедиться в том, что спектр излучения, приходящего со всех сторон на Землю, действительно совпадает со спектром черного тела. Совпадение измеренной температуры с расчетной на одной длине волны казалось недостаточным. Нужно было повторить измерение еще по крайней мере на одной длине волны. Ролл и Уилкинсон сделали это. Результат, полученный на волне 3,2 см, совпал с тем, что должно быть для черного тела, нагретого примерно до 3 К. За истекшее время диапазон длин волн, использованных для измерений этого излучения, был существенно расширен от «средних» радиоволн с длиной волны около 300 м до гамма-лучей, хотя этот обширный диапазон изучен далеко не сплошь. Но и тех наблюдений, которые уже получены, достаточно, чтобы подтвердить наличие изотропного излучения, соответствующего излучению черного тела, нагретого до трех градусов выше абсолютного нуля.
Гипотеза Большого взрыва, как уже сказано, является следствием нестационарного решения уравнений общей теории относительности, полученного Фридманом. В соответствии с его решением Вселенная непрерывно расширяется, причем скорость увеличения взаимных расстоянии космических объектов тем больше, чем дальше объекты находятся один от другого. Начальная стадия процесса соответствует огромной концентрации материи и излучения в малом объеме. Такое состояние неустойчиво, и Вселенная вышла из него взрывоподобно.
Полная теория эволюции Вселенной теперь разработана достаточно детально для периода времени от 0,01 секунды после Большого взрыва до наших дней и на многие миллиарды лет вперед. Она хорошо обоснована астрономическими и радиоастрономическими наблюдениями, подтвердившими огромные скорости разбегания галактик.
Еще в 1973 году Глэшоу и Джорджи предложили теорию, которая позволяет приступить к анализу событий, происходивших после того момента времени, который отстоит на ничтожную долю секунды от начала Большого взрыва. Эта теория еще не завершена, однако она уже позволила сделать ряд предсказаний, хорошо согласующихся с опытом. Непосредственная задача, привлекавшая ученых, по существу, совпадала с мечтой Эйнштейна: создать теорию, которая объединяла бы в единое целое все известные поля, все силы, действующие в природе, теорию, способную объяснить, почему известные нам частицы обладают теми свойствами, которыми они обладают, и предсказать свойства еще неизвестных частиц. Более конкретно это звучало так — свести все известные поля и силы к единому полю, порождающему эти силы, объединить все частицы в единое упорядоченное семейство, построить аналог таблицы Менделеева для частиц.
Теория Глэшоу и Джорджи открывает путь к объединению описания микромира и Вселенной. Эта теория основана, в существенной мере, на понятии «симметрия», используемом в самом широком смысле. В этой книге мы не раз встречались с различного рода проявлениями симметрии.
Сейчас мы еще раз призовем ее на помощь, чтобы убедиться в том, что единство природы простирается от колоссальных масштабов Вселенной до мельчайших элементарных частиц. Убедиться, что законы Природы едины. хотя в зависимости от конкретных условий решающую роль играют не все сразу, а лишь часть из них, в то время как другие отступают на второй план, чтобы выдвинуться вперед при других условиях.
Все примеры проявления симметрии, встречавшиеся на нашем пути, свидетельствуют о том, что повышение температуры, усиление хаотичного теплового движения приводят к разрушению порядка, к устранению особых свойств, проявляющихся в нарушении симметрии. Чем выше температура, тем совершеннее симметрия, тем менее вероятны устойчивые отклонения от симметрии.
Современный взгляд на развитие Вселенной состоит в том, что первоначальная температура исходного образования была столь высокой, что это образование являло собой высшую возможную в природе степень симметрии. Каково содержание этих слов?
Сильно огрубляя картину, можно сказать так: первоначальная температура была столь велика, что вся материя и эквивалентная ей энергия представляли однородное образование, а все известные силы природы сравнялись между собой по величине своего действия и слились в единою силу. Если и была среди них «самая сильная», то это, по-видимому, гравитация, та, которая является самой слабой из известных сил, действующих в современном мире. Причиной этого является огромная плотность первичной материи и энергии, много большая, чем плотность нейтронных звезд. Более того, в связи с основными положениями общей теории относительности — теории гравитации, можно, так же огрубляя, сказать, что все пространство в то время было сосредоточено в области, заполненной этой сверхплотной сверхгорячей материей. Вне этой области не было ничего — ни материи, ни пространства.
В том изначальном состоянии, с которого начался Большой взрыв, вся Вселенная была сжатой до таких малых размеров, а ее температура достигала столь высоких значений, что даже протоны и нейтроны не могли сохраняться как целое, а составляющие их сверхэлементарные частицы — кварки — теряли последнюю симметрию своего взаимодействия, что позволяло им сблизиться еще ближе, чем тогда, когда они образуют тяжелые частицы.
Именно так объясняется колоссальное увеличение плотности материи и энергии в изначальные мгновения. Все объединилось в исходный период — материя, энергия, пространство. При этом понятие «пространство» включает в себя и время, ибо это четырехмерное «пространство — время» теории относительности.
По причине, нам неизвестной, это исходное и сверхсимметричное состояние неустойчиво. Мир выходит из него, спонтанно (самопроизвольно) расширяясь. При этом увеличение размеров пространства тесно связано с расширением содержащейся в нем материи и энергии. Плотность и температура быстро уменьшаются. Говоря «быстро», нужно помнить, что время внутри и вблизи такой огромной массы (объединяющей всю массу Вселенной), в соответствии с общей теорией относительности, течет очень медленно по сравнению с нашими масштабами времени. Однако, для того чтобы не терять связи с привычными понятиями, мы будем пользоваться общепринятыми единицами — сантиметрами для измерения расстояний в пространстве и секундами для измерения промежутков времени.
Оценки показывают, что измеренная по современной шкале температура исходного сверхплотного сгустка превышает огромную величину, содержащую по крайней мере 22 нуля после какой-нибудь значащей цифры. В связи с тем, что на ближайших страницах нам придется часто иметь дело с такими огромными числами, условимся применять для них сокращенную запись, а именно: указывать количество нулей соответствующей степенью числа 10. В данном случае это 1022 К, где К указывает, что температура измерена по шкале Кельвина.
В этом адском котле постоянно рождаются и немедленно аннигилируют все известные и еще неизвестные нам частицы. При этом невозможно обнаружить никаких индивидуальных различий между ними даже на расстояниях столь малых, что перед первой значащей цифрой, выражающей эти расстояния, стоят 33 нуля. (Для сокращения записи мы будем писать 10–33 см, где знак «минус» в показателе степени означает, что нули стоят перед единицей.) На этих малых расстояниях наиболее слабое из известных полей — гравитационное поле — оказывается столь же сильным, как остальные известные поля — электромагнитное, слабое и сильное.