Первичные горячие фазы продолжались недолго. Температура превышала миллиард градусов всего несколько минут. Примерно через полмиллиона лет она уменьшилась до 3000 °C – Вселенная стала чуть прохладнее поверхности Солнца, что явилось важным этапом процесса расширения. Перед этим все было таким горячим, что электроны были оторваны от ядер и двигались свободно. По мере снижения температуры они достаточно замедлились, чтобы присоединиться к ядрам; таким образом сформировались нейтральные атомы. Эти атомы не могли рассеивать тепло так эффективно, как свободные электроны на более ранних и более горячих стадиях. В течение последующего периода материя стала прозрачной; «туман» рассеялся. Во время расширения температура, в свою очередь, падала обратно пропорционально увеличению масштаба Вселенной (увеличению длины штырей в решетке Эшера). Реликтовое излучение, регистрируемое COBE, является следом той эпохи, когда наша Вселенная была сжата более чем в тысячу раз по сравнению с сегодняшним днем – при температуре 3000 °K вместо сегодняшних 2,7 °K и задолго до того, как появились галактики. Интенсивное излучение первоначального шара хотя и ослабело из-за расширения, но все еще наполняло всю Вселенную.
Часто используемая аналогия со взрывом вводит в заблуждение, поскольку создает представление о том, что Большой взрыв произошел в каком-то особом месте. Но, насколько мы можем судить, любой наблюдатель, находись он на Земле, в Туманности Андромеды или в самых далеких от нас галактиках, увидел бы одну и ту же модель расширения. Возможно, когда-то Вселенная и была сжата в одну-единственную точку, но у каждого есть равное право заявлять о том, что все началось именно с этой точки. Мы не можем соотнести источник расширения с каким-либо определенным местом в нынешней Вселенной.
Также неверно думать, что в первоначальной Вселенной расширение происходило из-за высокого давления. Взрыв вызывается нарушением равновесия давления; бомбы на Земле и сверхновые в космосе взрываются, потому что резкий перепад давления вышвыривает осколки в область низкого давления. Но в первоначальной Вселенной давление везде было одинаковым: не было никакой границы или внешней области. Первичный газ охладился и рассеялся, как это происходит с содержимым растягивающейся коробки. Дополнительное притяжение, возникшее из-за давления и энергии тепла, на самом деле замедляло расширение
{7}.
Такая картина достаточно логична, но остаются еще некоторые тайны. Прежде всего (если помнить о разнице со взрывом), она не дает объяснения тому, почему вообще происходит расширение. Стандартная теория Большого взрыва просто принимает без доказательств, что все началось в тот момент, когда был достигнут достаточный для расширения уровень энергии. Ответ на вопрос, почему расширение вообще происходит, должен скрываться на еще более ранних стадиях, относительно которых у нас нет таких же прямых доказательств, как нет и уверенного понимания физических процессов.
Название «Большой взрыв» было придумано в 1950-е гг. известным физиком-теоретиком из Кембриджа Фредом Хойлом (уже упомянутым в главе 4 в связи с открытием происхождения углерода) как насмешливое описание теории, которая ему не нравилась. Сам Хойл предпочитал теорию «стационарного состояния» Вселенной, в которой по мере расширения, чтобы заполнить возникающие пустоты, постоянно создаются новые атомы и новые галактики и, таким образом, в среднем параметры никогда не меняются. В то время в любом случае никаких доказательств быть не могло, и космология была областью кабинетных размышлений, потому что наблюдения не продвинулись достаточно далеко, чтобы эволюция Вселенной смогла себя проявить. Но теория стационарной Вселенной «вышла из моды», как только появились свидетельства того, что в прошлом Вселенная действительно была иной. Хотя и выяснилось, что стационарная теория неверна, но она была «хорошей» теорией с точки зрения очень четких и экспериментально проверяемых предсказаний. Она стала великолепным стимулом для науки, побудив наблюдателей довести свои приборы до предела возможностей. (В этом смысле «плохой» является та теория, которая так гибка, что может приспособиться к любым новым данным. Выдающийся – и очень самонадеянный – физик Вольфганг Паули говорил о подобных расплывчатых идеях: «Это даже не является ложным!») Сам Хойл так никогда полностью и не принял теорию Большого взрыва, хотя и придумал компромиссную модель, которую коллеги-скептики называли «Стационарным взрывом».
ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ БОЛЬШОГО ВЗРЫВА
Согласно теории Большого взрыва, наша Вселенная была горячее, чем центр звезды. Почему же тогда все первоначальные атомы водорода не превратились в железо? (Вспомним, что ядра атомов железа крепче связаны, чем любые другие, и создаются только в сердце самых больших и самых горячих звезд). Если бы это произошло, в нашей сегодняшней Вселенной не существовали бы долгоживущие звезды, потому что все доступное топливо было бы использовано в изначальном огненном шаре. Звезда, состоящая из газообразного железа, могла бы существовать, но она бы истощилась не за миллиарды лет, а за миллионы, как когда-то Кельвин думал про Солнце. К счастью, первые несколько минут расширения не дали достаточного времени для того, чтобы ядерные реакции превратили какие-либо из первоначальных материалов в железо или даже в углерод, кислород и т. д. Реакции преобразовали примерно 23 % водорода в гелий, но (если не считать следов лития) элементы, стоящие дальше в периодической таблице, во время самого Большого взрыва не образовались.
Первичный гелий тем не менее очень важен и дает значительное подкрепление теории Большого взрыва. Даже самые старые объекты (где примесь углерода, кислорода и т. д. в сотни раз меньше, чем внутри Солнца), как выяснилось, на 23–24 % состоят из гелия: не обнаружено ни одной звезды, галактики или туманности, где гелий встречается реже. По всей видимости, галактики вначале состояли не из чистого водорода, а сразу из смеси водорода и гелия. (Внешние слои Солнца на 27 % состоят из гелия, из них «лишние» 3–4 % – это то количество, которое было синтезировано наряду с углеродом, кислородом и железом внутри первых короткоживущих звезд, создавших пылевое облако, из которого образовалась наша Солнечная система
{8}.)
