В следующих двух главах будут описаны две великие путеводные нити, предоставляемые нам астрономическими наблюдениями и приводящие к стандартной модели, — открытие разбегания далеких галактик и обнаружение слабого фона радиоизлучения, заполняющего Вселенную. Это богатейший сюжет для историка науки, полный ошибочных начинаний, упущенных возможностей, теоретических предубеждений и действий отдельных личностей.

Вслед за этим обзором наблюдательной космологии я попытаюсь соединить разрозненные данные, чтобы дать единую картину физических условий в ранней Вселенной. Это заставит нас вернуться к более детальному рассмотрению первых трех минут. Представляется подходящим кинематографический метод: кадр за кадром мы будем следить за тем, как Вселенная расширяется, охлаждается и приготовляется [5]. Мы также попробуем заглянуть немного в эру, все еще окутанную тайной, — а именно, в то, что происходило до первой сотой доли секунды.

Можем ли мы действительно быть уверенными в стандартной модели? Не разрушат ли ее новые открытия и не заменят ли сегодняшнюю стандартную модель какой-то другой космогонией, может быть, даже возродив стационарную модель? Возможно. Я не в силах избавиться от ощущения нереальности, когда пишу о первых трех минутах так, как будто мы действительно знаем, о чем говорим.

Однако даже если стандартную когда-нибудь вытеснит другая модель, она все равно будет играть чрезвычайно важную роль в истории космологии. Сейчас стало общепринятым (хотя лишь в последнее десятилетие или около того) проверять теоретические идеи в физике или астрофизике, обсуждая их следствия в рамках стандартной модели. Также обычным стало использование стандартной модели в качестве теоретической основы для определения программ астрономических наблюдений. Таким образом, стандартная модель обеспечивает необходимый общий язык, который позволяет теоретикам и наблюдателям понимать, что каждый из них делает. Если когда-нибудь стандартную модель заменит лучшая теория, то, вероятнее всего, это произойдет в результате наблюдений или вычислений, обоснование необходимости которых будет получено из стандартной модели.

В последней главе я немного поговорю о будущем Вселенной. Возможно, она будет продолжать расширяться всегда, становясь все более холодной, разреженной и мертвой. Но возможно, что она будет вновь сжиматься, вновь разбивая галактики, звезды, атомы и атомные ядра на их составные части. Все те проблемы, с которыми мы сталкиваемся в понимании первых трех минут, возникнут тогда снова при предсказании течения событий в три последние минуты.

Взгляд на ночное небо создает могучее впечатление неизменности Вселенной. Конечно, облака набегают на Луну, небосвод вращается вокруг Полярной звезды, а если смотреть на небо через большие промежутки времени, то сама Луна убывает и прибывает, а Луна и планеты движутся на фоне звезд. Но мы знаем, что это всего лишь локальные явления, обусловленные движениями внутри нашей Солнечной системы. Если не считать планет, то звезды кажутся неподвижными.

Конечно, на самом деле звезды движутся со скоростью, достигающей нескольких сот километров в секунду, так что в течение года быстрая звезда может сместиться примерно на десять тысяч миллионов километров. Это в тысячу раз меньше, чем расстояние даже до ближайших звезд, поэтому их видимое положение на небе меняется очень медленно. (Например, относительно быстрая звезда, известная как звезда Барнарда, находится на расстоянии около 56 миллионов миллионов километров; она смещается поперек луча зрения примерно на 89 километров за секунду или 2,8 тысячи миллионов километров за год, и, вследствие этого, ее видимое положение на небе смещается за год на угол 0,0029 градуса). Астрономы называют сдвиг видимого положения ближайших звезд на небе «собственным движением». Видимые положения на небе более далеких звезд меняются столь медленно, что их собственное движение невозможно заметить даже при самом терпеливом наблюдении.

Мы увидим сейчас, что это впечатление неизменности иллюзорно. Наблюдения, которые мы будем обсуждать в этой главе, показывают, что Вселенная находится в состоянии сильного взрыва, в котором огромные острова звезд, известные как галактики, разлетаются в разные стороны со скоростью, приближающейся к скорости света. Далее мы можем экстраполировать этот взрыв назад по времени и заключить, что все галактики должны были быть в какой-то момент времени в прошлом значительно ближе друг к другу, на самом деле так близко, что ни сами галактики, ни звезды, ни даже атомы или атомные ядра не могли отдельно существовать. Это и есть та эра, которую мы называем «ранней Вселенной» и которая является предметом обсуждения в данной книге.

Наши знания о расширении Вселенной основаны исключительно на том факте, что астрономы способны измерять движение светящегося тела в направлении прямо вдоль луча зрения намного точнее, чем его движение под прямым углом к лучу зрения [6]. Техника измерений использует хорошо известное свойство любого типа волнового движения, так называемый эффект Доплера. Когда мы наблюдаем звуковую или световую волну от покоящегося источника, то промежуток времени между прибытием гребней волн к нашим измерительным приборам такой же, как и промежуток времени между испусканием волн источником. С другой стороны, если источник удаляется от нас, то промежуток времени между прибытием последовательных гребней волн увеличивается по сравнению с промежутком времени между их испусканием источником, так как каждому гребню нужно пройти чуть большее расстояние на своем пути к нам, чем предыдущему гребню. Интервал времени между гребнями как раз равен длине волны, деленной на скорость волны, так что волна, испущенная удаляющимся от нас источником, будет казаться имеющей большую длину, чем если бы источник покоился. (Более точно относительное увеличение длины волны дается отношением скорости источника волны к скорости самой волны, что показано в математическом дополнении 1) Аналогично, если источник приближается к нам, то промежуток времени между прибытием волновых гребней уменьшается, так как каждый последующий гребень должен пройти меньший путь, и сама волна кажется имеющей меньшую длину. Это напоминает то, как если бы коммивояжер посылал письма домой регулярно раз в неделю в течение своей поездки: когда он едет от дома, каждое последующее письмо должно пройти чуть больший путь, чем предыдущее, поэтому его письма будут приходить с интервалом чуть больше недели; на обратном пути домой каждое последующее письмо будет проходить все меньшее расстояние, поэтому они будут приходить чаще, чем раз в неделю.

В наши дни легко наблюдать эффект Доплера для звуковых волн — достаточно подойти к краю скоростной автомобильной дороги и заметить, что мотор быстро мчащегося автомобиля издает более высокий звук (т. е. звук более короткой длины волны), когда автомобиль приближается, по сравнению с тем, когда он удаляется. По-видимому, эффект был впервые отмечен как для световых, так и для звуковых волн Иоганном Христианом Доплером, профессором математики Реальной школы в Праге в 1842 году. Эффект Доплера для звуковых волн был проверен в 1845 году голландским метеорологом Христофором Генрихом Дитрихом Буа-Балло в очаровательном эксперименте — в качестве движущегося источника звука он использовал оркестр трубачей, стоявших на открытой платформе железнодорожного вагона, мчавшегося по сельской местности вблизи Утрехта.