Вселенная. Вопросов больше, чем ответов

Причиной, побудившей Гамова начать разрабатывать свою теорию, стала необходимость объяснить происхождение и наблю­даемое обилие легких элементов (в первую очередь — водорода и гелия), чья относительная распространенность (порядка 3:1 по массе) носила, судя по всему, универсальный характер — и для Солнца, и для большинства звезд, и для межзвездного газа.

В рамках теории Гамова первичный нуклеосинтез — такое на­звание получила данная стадия эволюции Вселенной — проис­ходит, начиная примерно с первой секунды жизни Вселенной. Давление и температура в это время (миллиарды кельвинов) на­поминали условия в центральных областях звезд, и Вселенная, таким образом, была похожа на гигантский термоядерный ре­актор.

Гамов дал первоначальный, самый важный толчок теории — однако в дальнейшем, кроме него, над ней активно работали и зарубежные, и наши ученые (уже упомянутый Зельдович, на­пример), чьими усилиями теория обрела законченность и строй­ность. И в рамках теории «горячей» Вселенной действитель­но удалось объяснить наблюдаемое обилие легких элементов. Именно легких — потому в период первичного нуклеосинтеза образуются в основном водород (75% вещества Вселенной), ге­лий (около 24%) и немного лития (порядка одного процента).

Остальные, более тяжелые элементы «нарабатываются» поз­же, в недрах звезд. Промежутка времени, отпущенного на пер­вичный нуклесинтез, просто-напросто не хватает на синтез тяже­лых элементов — примерно на 200-й секунде жизни Вселенной давление и температура падают настолько, что термоядерные реакции прекращаются.

Наблюдаемое обилие легких элементов оказалось первым весомым аргументом, склонившим чашу весов в пользу теории «горячей» Вселенной. Вторым — и решающим — аргументом стало реликтовое излучение, тоже предсказанное Гамовым.

Что такое реликтовое излучение? Это дошедший до наших времен «след» тех самых ядерных реакций, про которые мы рас­сказали чуть выше. Существования большого количества фото­

326

нов в тот период требуют законы термодинамики. И, конечно, никуда «пропасть» с тех пор они не могли. Примерно до 300 тыс. дет с рождения Вселенной температура была слишком велика для существования атомов, так что Вселенную заполняла горячая плазма, состоявшая в основном из электронов и ядер водорода и гелия (еще, конечно, нейтрино и частицы темной материи — но про них будет отдельный рассказ). И плазма эта была для фото­нов непрозрачна — они поглощались, затем переизлучались и снова поглощались, не пройдя сколько-либо значительного рас­стояния.

Но затем наступил так называемый момент рекомбинации — температура упала настолько, что ядра смогли захватить элек­троны и образовать атомы. Вселенная «очистилась» и стала про­зрачной для излучения, так что фотоны получили возможность путешествовать свободно. И данное море «первичных» фотонов, заполняющее собой всю Вселенную, чья температура (и, соответ­ственно, длина волны) сильно с тех пор упала из-за расширения Вселенной, и называется «реликтовым излучением».

Термин «реликтовое излучение», кстати, был придуман на­шим выдающимся астрофизиком Иосифом Самуиловичем Шкловским — и нам он представляется весьма удачным, очень хорошо отражающим суть явления. В англоязычной же литера­туре используется термин СМВ — cosmic microwave background, «космический микроволновой фон», звучащий несколько тяже­ловесно.

Сам Гамов оценил температуру реликтового излучения как Должную лежать в диапазоне от одного до ю К, достаточно близ­ко к абсолютному нулю — фотоны, следовательно, успели поря­дочно «остыть». А в качестве наиболее вероятной величины ука­зал среднелогарифмическое значение чисел на краях данного Диапазона — 3 К¹.

Десятичный логарифм единицы — ноль, десятичный логарифм десяти — единица. Среднее значение, таким образом — 0,5. Десять в степени 0,5 (или ^>Ке> что то же самое, корень из десяти) — чуть больше трех. — Примеч. авт.

327

Экспериментально реликтовое излучение было откры­то в 1965 году, причем достаточно случайно — физиками, _а в то время — радиоинженерами корпорации «Белл» Арно Пензиасом и Робертом Вилсоном. Испытывая новый радио­метр, они обнаружили космический шум, мощность которого не зависела от направления на небе. Они написали статью и направили в журнал, где она попала на рецензию к астрофи­зику Роберту Дикке, который сам в это время готовил аппа­ратуру для поиска реликтового излучения. Он тут же понял суть открытия Пензиаса и Вилсона, положительно оценил ра­боту и рекомендовал к публикации, а также написал корот­кую заметку, содержащую космологическую интерпретацию открытия.

Кстати, температура открытого излучения составляла около трех градусов — Гамов и туг попал в «яблочко»!