Астрономия для "чайников"

 Существование антиматерии (antimatter) было предсказано в 1929 году английским физиком Полом Дираком, которому удалось объединить теории квантовой механики, электромагнетизма и относительности в одном изящном наборе математических уравнений. (Если вы хотите больше узнать об этих теориях, ищите соответствующие книги по физике.) Дирак обнаружил, что у каждой субатомной частицы должен существовать "зеркальный двойник" с такой же массой, но с противоположным электрическим зарядом. Примеры таких пар: протон и антипротон, электрон и антиэлектрон.

Когда частица и ее античастица сталкиваются, они уничтожают одна другую, т. е. происходит аннигиляция. Тогда электрические заряды нейтрализуются, а их массы преобразуются в чистую энергию.

Античастицы электрона и протона астрономы обнаружили в космических лучах, идущих из дальнего космоса. Антиэлектрон называется позитроном (positron), а антипротон — просто антипротоном (antiproton). Сейчас проводятся также эксперименты по поиску в космических лучах антигелия (antihelium). Физики смогли получить в лабораторных условиях античастицы и даже целые антиатомы, например антиводород. Врачи используют лучи античастиц для диагностирования и лечения рака.

Астрономы, изучавшие идущие из космоса гамма-лучи, наблюдали такую форму света, как аннигиляционное излучение. У гамма-излучения длина волны короче, а энергия — больше, чем у рентгеновского излучения. Когда электрон и его античастица, позитрон, сталкиваются, они аннигилируют, и при этом выделяются гамма-лучи известной длины волны. Было обнаружено, что эти "сигнальные" лучи идут из нескольких мест нашей галактики, включая широкий район, находящийся в направлении центра Млечного Пути. Было обнаружено также аннигиляционное излучение, имевшее место в результате нескольких очень мощных солнечных вспышек.

А если говорить о космических масштабах, то возникает вопрос: почему во Вселенной частиц намного больше, чем античастиц. В настоящее время проводятся эксперименты, чтобы выяснить, почему это так. Предположительно, в результате Большого Взрыва образовалось одинаковое количество тех и других. Но, по крайней мере, мы знаем, что на решение этой проблемы у нас есть еще миллиарды лет, до того как Вселенная (и мы вместе с ней) закончит свой путь, какая бы судьба ни была ей уготована.

В написании данной главы принимал участие Рон Ковен, освещающий вопросы астрономии и космоса в журнале Science News.

Глава 16

Большой Взрыв и эволюция Вселенной

Давным давно, около 12–14 миллиардов лет назад, Вселенной в том виде, как мы ее знаем, не существовало. Материи не было — ни одного атома. Света тоже не было — ни одного фотона. Пространство еще не было создано, и космические часы еще не начали тикать.

А затем, вероятно в одно мгновение, Вселенная приняла форму крошечной плотной частицы, заполненной светом. И за крошечную долю секунды появилась на свет вся материя и энергия Космоса. По размерам намного меньше атома, юная Вселенная была обжигающе горячей, — это был первичный огненный шар, который начал стремительно расти и остывать с бешеной скоростью.

Картина рождения Вселенной носит название теории Большого Взрыва. Причем Большой Взрыв не был похож на фейерверк, взрывающийся в существующем пространстве; это было быстрое расширение самого пространства.

В течение первой 10³⁶-й доли секунды Вселенная увеличилась более чем в 10³⁶ раз. Из однородной смеси субатомных частиц и излучения впоследствии возникли галактики, скопления и сверхскопления галактик, которые существуют во Вселенной сегодня. Просто уму непостижимо, что самые крупные структуры во Вселенной, группы галактик, протянувшихся по небу на сотни миллионов световых лет, начинались как колебания субатомных частиц высоких энергий в зарождающемся космосе. Но именно так сегодня ученые представляют себе процесс формирования Вселенной.

Доказательства теории Большого Взрыва

Почему ученые считают, что Вселенная началась со взрыва?

Астрономы приводят три очень разные последовательности рассуждений, которые создают прочную основу для данной теории. Давайте рассмотрим их подробнее.

 Открытие явления расширения Вселенной. Вероятно, самое убедительное доказательство теории Большого Взрыва вытекает из замечательного открытия, сделанного американским астрономом Эдвином Хабблом в 1929 году. До этого большинство ученых считали Вселенную статичной — неподвижной и не меняющейся. Но Хаббл обнаружил, что она расширяется: группы галактик разлетаются одна от другой, так же как осколки разбрасываются в разных направлениях после космического взрыва (см. раздел "Постоянная Хаббла и возраст Вселенной" в этой главе).

Очевидно, что если какие-то объекты разлетаются, то когда-то они были ближе один к другому. Прослеживая процесс расширения Вселенной назад во времени, астрономы пришли к выводу, что около 12 миллиардов лет назад (плюс-минус несколько миллиардов лет) Вселенная представляла собой невероятно горячее и плотное образование, высвобождение огромной энергии из которого было вызвано взрывом колоссальной силы.

 Открытие космического микроволнового фона. В 1940-х годах физик Георгий Гамов понял, что Большой Взрыв должен был породить мощное излучение. Его сотрудники предположили также, что остатки этого излучения, охлажденные в результате расширения Вселенной, могут все еще существовать.

В 1964 году Арно Пенциас и Роберт Вилсон из AT & Т Bell Laboratories, сканируя небо с помощью радиоантенны, обнаружили слабое равномерное потрескивание. То, что они сначала приняли за радиопомехи, оказалось слабым "шелестом" излучения, оставшегося после Большого Взрыва. Это однородное микроволновое излучение, пронизывающее все космическое пространство (его еще называют реликтовым излучением). Температура этого космического микроволнового фона (cosmic microwave background) в точности такая, какой она должна быть по расчетам астрономов (2,73° по шкале Кельвина), если охлаждение происходило равномерно с момента Большого Взрыва. За свое открытие А. Пенциас и Р. Вилсон в 1978 году получили Нобелевскую премию по физике.

 Изобилие гелия в космосе. Астрономы обнаружили, что по отношению к водороду количество гелия в космосе составляет 24 %. Причем ядерные реакции внутри звезд (см. главу 11) идут недостаточно долго для того, чтобы создать так много гелия. Но гелия как раз столько, сколько теоретически должно было образоваться во время Большого Взрыва.

Как оказалось, теория Большого Взрыва успешно объясняет явления, наблюдаемые в космосе, но остается только отправной точкой для изучения начального этапа развития Вселенной. Например, эта теория, несмотря на ее название, не выдвигает никаких гипотез об источнике "космического динамита", который и вызвал Большой Взрыв.