Таким образом, наблюдаемое в спектрах галактик красное смещение имеет, по меньшей мере, две составляющие — космологическое z, вызванное расширением Вселенной, и классическое доплеровское, связанное с упоминавшимися чуть ранее пекулярными скоростями галактик из-за их взаимодействия друг с другом. (Конечно, вклад в красное смещение дают лишь радиальные составляющие этих скоростей.) Пекулярные скорости галактик, как правило, малы (сотни — тысячи км/с) и поэтому их вклад в итоговое красное смещение далеких галактик незначителен. Есть еще один — третий — фактор, влияющий на наблюдаемое z, — гравитационное красное смещение, связанное с «покраснением» фотонов, удаляющихся от массивных объектов. В большинстве случаев вклад этого эффекта также мал по сравнению с глобальным расширением.
2.4. Реликтовое излучение
Время настало. Эксперимент должен начаться. Наклонившись вперед, он устремил взгляд во тьму и произнес:
— Да будет свет.
И стал свет.
Эрик Френк Рассел
Существование и свойства так называемого реликтового излучения (в англоязычной литературе принято название «космическое микроволновое фоновое излучение» или просто CMBR) — краеугольный камень современной космологии. Именно открытие этого излучения в середине 1960-х годов привело к всеобщему признанию теории Большого взрыва. Предсказание реликтового излучения связано с именем русского, а впоследствии американского, физика Георгия Гамова — свою научную карьеру он начал в России, а затем в 1934 году навсегда перебрался в США (рис. 28). Однако у этого открытия была и предыстория.
Рис. 28. Георгий Антонович Гамов (1904–1968)
В мае 1931 Жорж Леметр опубликовал небольшую заметку, в которой он попытался впервые рассмотреть самые ранние стадии образования Вселенной с точки зрения физики. Он предположил, что Вселенная родилась при взрыве, понимаемом, по-видимому, буквально, сверхплотного «первичного атома» (при этом сразу вспоминается «Первичная Частица» Эдгара По). Этот первичный атом представляет по Леметру гигантское, размером в несколько астрономических единиц, атомное ядро с огромным атомным номером и массой, равной массе Вселенной. Атом неустойчив, и за счет «сверхрадиоактивности» он начал распадаться «на все меньшие и меньшие атомы». Леметр предположил, что остатки этого первичного радиоактивного взрыва наблюдаются до сих пор в виде так называемых космических лучей — потоков частиц высокой энергии, приходящих со всех направлений из космического пространства. Эти идеи Леметра не привлекли особого внимания и не получили развития. Сама концепция расширяющейся Вселенной в те годы еще только складывалось, а уж наблюдаемый в настоящее время некий «реликт» ранних стадий ее эволюции казался полной фантастикой.
Еще один классик космологии — Ричард Толмен — в 1930-х годах ввел идею термодинамической истории расширяющейся Вселенной и рассмотрел поведение излучения при расширении. Он показал, что, если во Вселенной есть излучение со спектром, соответствующим спектру излучения абсолютно черного тела, то такое излучение в ходе расширения будет остывать, сохраняя свой черно-тельный характер.
В 1940-х годах к космологии обратился Георгий Гамов. Его интерес к расширяющейся Вселенной был не случаен — в 1920-х годах он слушал лекции А. А. Фридмана в Ленинградском университете и еще в те годы планировал заняться релятивистской космологией. Гамов был очень необычным человеком и еще более необычным ученым. О нем написано много воспоминаний и книг, в его честь продолжают собираться конференции, как в России, так и за рубежом. Лучше всего, наверное, о нем скажут приводимые ниже высказывания его коллег и учеников.
Станислав Улам, знаменитый американский математик польского происхождения, писал: «Воистину „трехмерный“ человек, он источал энергию, был полон жизни… любил анекдоты и коварные шутки, которым мог отдаваться, не зная меры…
Банах как-то сказал мне: „Хорошие математики видят аналогии между теоремами или теориями, а лучшие математики видят аналогии между аналогиями“. У Гамова эта способность усматривать аналогии между моделями, описывающими физические теории, проявлялась с поразительным размахом. Было удивительно наблюдать, как при тех невиданно сложных и крайне труднопостигаемых уровнях, на которых применялась нами математика, он мог заходить так далеко в использовании интуитивных образов и аналогий, черпая их из исторических и даже художественных сопоставлений».
Эдвард Теллер, «отец американской водородной бомбы», вспоминал, что идеи Гамова были фантастичными. Иногда правильными, чаще неправильными, но всегда интересными. Он также написал, что, когда он думает о Гамове, он думает о простых, красивых и ведущих к цели физических идеях.
Вера Рубин, одна из пионеров исследования скрытой массы в галактиках, в начале 1950-х годов была аспиранткой Гамова. Она отмечала, что Гамов был далеко впереди астрономического общественного мнения, как, впрочем, и доступных астрономических данных. По ее мнению величайшее значение Гамова состояло в том, что он задавал пророческие, далеко идущие вопросы.
Роберт Херман (вскоре он появится на этих страницах) писал, что Гамов был одним из величайших физиков XX столетия, чей интуитивный гений часто превышал чисто технические способности развивать собственные идеи. По мнению Хермана, к сожалению, Гамов так и не получил при жизни то формальное признание, которое он заслуживал за многие выдающиеся, созидательные достижения.
Одним из таких достижений явилось создание теории горячего начала Вселенной. Для Гамова казалось очевидным, что Вселенная родилась из горячего и сверхкомпактного состояния. (Гамов считал, что эта идея принадлежит Фридману, однако сам Фридман в своих публикациях о температуре Вселенной нигде не упоминал.) Гамов предположил
[16], что в ранней Вселенной в условиях гигантских плотностей и температур произошел синтез всех химических элементов. Он также понял, что ядерные реакции в ранней Вселенной протекали в сильно неравновесных условиях, причем в течение очень короткого времени, так как Вселенная стремительно расширялась и ее плотность и температура также стремительно падали. По сути, идея Гамова была почти правильной — космическая распространенность двух самых главных элементов — водорода и гелия — и в самом деле объясняется ядерными реакциями в ранней Вселенной, однако более тяжелые элементы синтезируются, как было выяснено позднее, в звездах, в процессе их эволюции. Развитие этих идей требовало проведения очень нелюбимых Гамовым сложных и громоздких расчетов и поэтому в 1946 году он подключил к работе по первичному нуклеосинтезу своего аспиранта Ральфа Альфера, а затем и молодого физика Роберта Хермана.
В 1948 году Гамов рассмотрел поведение вещества и излучения в расширяющейся Вселенной. На самой ранней стадии эволюции Вселенная состояла из смеси вещества и излучения, находившихся в термодинамическом равновесии при колоссальной температуре, причем плотность энергии излучения преобладала над плотностью вещества. По мере расширения плотности энергии излучения и вещества уменьшались, законы падения были разными (плотность излучения спадала быстрее), и поэтому должен был наступить момент, когда они — эти плотности — сравниваются. Эпоха, когда преобладание излучения над веществом сменяется доминированием вещества, имеет по Гамову очень важное космогоническое значение — только после этого момента возможно образование галактик за счет гравитационной неустойчивости материи. Гамов привел грубую, но верную по порядку величины, оценку температуры в переходную эпоху эволюции Вселенной: ~103 К.
