Горячая Вселенная и реликтовое излучение

Практически во всех космологических моделях оказывается, что в момент сингулярности вся материя и энергия Вселенной должны быть заключены в точке, не имеющей размеров. Соответственно плотность материи должна быть бесконечно велика. Если в физической теории возникают бесконечные величины, то это значит, что с ней что-то не в порядке. Однако в данном случае особых оснований для беспокойства нет, поскольку физики знают, что именно не так. Дело в том, что при плотности порядка 10^% кг/м³ становятся существенными эффекты квантовой гравитации, теория которых еще не разработана (с. 114). Поэтому практически за «начало» Вселенной принимается момент, когда плотность составляла указанную выше чудовищную величину, в 10⁸⁰ раз превышающую плотность атомных ядер. Пространственные масштабы Вселенной в этот момент характеризуются планковской длиной 10 ³⁵ м, что в 10²⁰ раз меньше размера атомного ядра. Отличие от не имеющей размеров точки, как видим, незначительно.

Ясно, что в таких условиях свойства Вселенной должны были кардинально отличаться от современных. В 1946 г. Г. А. Гамов, размышляя над проблемой происхождения химических элементов, предположил, что молодая Вселенная была чрезвычайно горячей. Эта гипотеза имела важное наблюдаемое следствие. Поскольку любое нагретое тело обязано светиться, то горячая Вселенная должна быть заполнена тепловым излучением. По мере расширения Вселенная остывала (рис. 5.1); охлаждалось и излучение.

В 1965 г. исследователи из корпорации «Белл» Пензиас и Вильсон, отлаживая чувствительную радиоантенну, обнаружили слабый шум космического происхождения, не зависящий от ориентации антенны. Практически сразу было понято, что этот шум и есть предсказанный Гамовым слабый отблеск бурной молодости Вселенной; исследователи получили Нобелевскую премию. Излучение, открытое Пензиасом и Вильсоном, по предложению отечественного астрофизика И. С. Шкловского, получило название реликтового излучения*.

Реликтовое излучение — свидетель ранних этапов развития Вселенной. Само его существование возможно только при условии, что когда-то Вселенная была компактной и горячей. Измеренная температура реликтового излучения (около 3 К) почти совпала с предсказанной Гамовым, что укрепило доверие к космологическим теориям.

Фон реликтового излучения практически равномерно распределен по всей небесной сфере. Это свидетельствует о том, что молодая Вселенная была однородной, бесструктурной, а структуры — скопления галактик, галактики и звезды — возникли на более поздних этапах.

На общем однородном фоне реликтового излучения имеются небольшие флуктуации (с. 112) его интенсивности, не превышающие 1/100 000 от среднего уровня. Исследования величины этих флуктуаций и их распределения по небесной сфере в начале XXI в. позволили получить наиболее точную на данный момент оценку возраста Вселенной (п. 5.1.2). Что более существенно, из этих исследований вытекает, что средняя кривизна пространства-времени нашей Вселенной практически нулевая. В свою очередь, это предполагает, что средняя плотность массы во Вселенной равна критической (с. 204) и ставит вопрос: что же еще, кроме обычного вещества и «темной материи», дает вклад в массу Вселенной?^[1]

• [1] Другое название — микроволновое фоновое излучение.