Если говорить о самых известных научных идеях и образах, Большой взрыв наверняка окажется в тройке лидеров. Но и среди хуже всего понятых эта концепция также займёт одно из первых мест.

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №6(34). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Когда говорят про Большой взрыв, нужно помнить две вещи. Во-первых, этот термин ввёл противник теории, известный астроном и писатель-фантаст Фред Хойл, употребив его в весьма саркастическом ключе в выступлении на радио BBC в 1949 году: «Эта теория основана на предположении, что Вселенная возникла в процессе одного-единственного мощного взрыва и потому существует конечное время… Идея Большого взрыва кажется мне совершенно неудовлетворительной». Напомним, что сам Хойл был автором теории стационарной Вселенной, которую создал вместе с математиком Германом Бонди и астрономом Томасом Голдом.

Теория была очень известная, однако тут кроется «во-вторых». Дело в том, что Big Bang — никак не «большой взрыв». Это «большой бум», а «взрыв», как мы знаем, explosion. Так что перевод скрыл ядовитую издёвку Хойла с намёком на «Много шума из ничего». Но что поделать, история терминов неисповедима. В любом случае «Большой взрыв» родился в ходе яростной борьбы идей.

Космологи, работающие над теорией Большого взрыва, должны сказать спасибо Хойлу не только за термин, но также за страстность и последовательность. Он дожил до 2001 года и до конца дней был непримиримым противником ТБВ, находя всё новые варианты стационарной Вселенной и заставляя космологов искать новые доказательства своей правоты.

Путь человечества к Большому взрыву начался, пожалуй, в 1912 году, когда американский астроном Весто Слайфер впервые измерил красное смещение у спиральной галактики (тогда толком даже не знали, что спиральные туманные объекты состоят из звёзд). Потом измерили ещё одно красное смещение, потом ещё одно, и в 1929 году американский же астроном Эдвин Хаббл сформулировал зависимость: чем дальше галактика, тем с бóльшей скоростью она от нас удаляется. Получалось, что Вселенная расширяется со временем. Впрочем, двумя годами ранее это предположил бельгийский физик и священник Жорж Леметр.

Открытие Хаббла прекрасно сочеталось с моделью российского математика Александра Фридмана, основанной на эйнштейновских уравнениях Общей теории относительности. Но если Вселенная расширяется, значит, в предыдущий момент времени она имела меньший размер. То есть она возникла из некоего микроскопического состояния! Принять это было непросто.

Битва между сторонниками и противниками расширяющейся Вселенной продолжалась долго. Однако на стороне приверженцев Большого взрыва был главный козырь: красное смещение. Как объяснить его, если не расширением пространства? И тогда появилась весьма изящная модель, которую назвали «старение света».

Всё в том же 1929 году, когда Хаббл обнаружил, что галактики разбегаются, американский астрофизик Фриц Цвикки предположил, что из-за взаимодействия с гравитационным полем фотоны теряют энергию и «краснеют». Однако эта теория, которой придерживались какое-то время и великий немецкий физик Макс Борн, и даже сам Эдвин Хаббл, не объясняла некоторые важные нюансы: почему для любых длин волн красное смещение одинаково, почему длительность вспышек сверхновых зависит от расстояния до них (а эта закономерность напрямую доказывает, что пространство между нами и сверхновой расширяется) и многие другие.

Так что постепенно, несмотря на всю пассионарность Фреда Хойла, теория Большого взрыва (со множеством уточнений, дополнений и даже революционных изменений) утвердилась в физике и космологии и сейчас является общепринятой.

Итак, как же было дело. Точнее, как и когда. Современная физика считает, что наш мир возник 13,799 млрд лет назад,— цифра постоянно меняется, однако речь идёт о погрешности в сотые доли процента. Если «отмотать плёнку» назад, к точке «ноль», мы застанем очень странный мир, в котором пространство и материя свёрнуты до невероятных, необъяснимых обычными законами физики размеров, кривизны, температуры и плотности. А затем — непонятно почему — всё началось.

Что произошло в первые мгновения, в период с 10 ^–42 до 10^–36 секунд, известно мало или почти ничего. Вероятнее всего, появилась гравитация, а точнее, она отделилась от слитых воедино сильного и электрослабого взаимодействий.

Что было дальше, с 10 ^–36 до 10^–32 секунд, мы начали понимать не так давно. В самом начале 1980‑х годов британец Алан Гут и советские учёные Алексей Старобинский и Андрей Линде предположили, что в эти доли секунды в безумно горячей Вселенной происходила инфляция. Нет, денег тогда не было, и поэтому они не обесценивались. Просто слово «инфляция» означает «вздутие». Так вот, в это время Вселенная расширялась экспоненциально, сразу на много порядков. Когда говорят «расширение Вселенной», многие представляют надувающийся воздушный шарик. Но эта аналогия верна лишь отчасти, потому что у шарика есть центр, откуда начинается расширение. А вот если представить, что Вселенная — это поверхность шарика, будет точнее. Центра нет. Расширяется само пространство, в каждой своей точке.

Итак, инфляция раздула Вселенную очень быстро. И одновременно охладила её (считается, что в 100 000 раз, с 1027 до 1022 К). Видимо, тогда же возникли квантовые флуктуации, неоднородности пространства, в результате которых вещество не распространилось по Вселенной равномерно, а собралось в галактики.

После инфляции и произошло то, что принято называть классическим Большим взрывом. Вселенная продолжала расширяться, но уже не так быстро, и в период с 10–32 по 10–12 секунд сильное взаимодействие отделилось от электрослабого и началась так называемая электрослабая эпоха. Вселенная наполнилась кварк-глюонной плазмой, а также электронами и прочими лептонами и бозонами: W- и Z-, переносчиками слабого взаимодействия, хиггсовскими, создающими массу; и, конечно же, фотонами.

Ещё позже, с 10–12 до 10–6 секунд, с веществом творилось почти то же самое, за одним исключением: электрослабое взаимодействие тоже развалилось на электромагнитное и слабое. Но протоны и нейтроны пока не образовались.

И вдруг началось… На протяжении примерно сотни первых секунд во Вселенной рождались адроны — протоны, нейтроны и их античастицы. Рождались и аннигилировали, превращаясь в свет. И если бы не одна тонкость, называемая нарушением CP-инвариантности (то бишь нарушением симметрии мира при зеркальном отражении и замене всех частиц на античастицы), Вселенная сейчас была бы заполнена только медленно охлаждающимся излучением. Однако нарушение было, и с разницей примерно в одну частицу на миллиард частиц рождалось больше, чем античастиц. Поэтому мы с вами существуем.

Из сохранившихся адронов формировались ядра самых простых атомов (дейтерия, гелия и совсем немного лития). Пока только ядра. Плотность Вселенной была такова, что она оставалась непрозрачной для оставшегося от аннигиляции и Большого взрыва излучения. Лишь 380 000 лет спустя пространство расширилось настолько, что Вселенная внезапно стала прозрачной для излучения, и оно вырвалось наружу. А ещё 200 000 лет спустя появились первые звёзды.

История открытия «почти прямого» свидетельства Большого взрыва хорошо известна. В 1964 году американцы Арно Пензиас и Роберт Уилсон пытались избавиться от помех на радиотелескопе. Сделали всё, даже вычистили птичий ­помёт, однако антенна всё равно «шумела». Более того, это шум приходил отовсюду — из космоса. Вселенная оказалась наполнена радиошумом на микроволновых частотах. Очень быстро стало понятно, что это излучение и есть то самое, вырвавшееся на свободу через 380 000 лет после Большого взрыва. Однако за 13 млрд лет оно успело остыть в расширившейся Вселенной до 2,7 К и, соответственно, превратиться из жёсткого гамма-излучения в микроволны. Так дотошные радиофизики получили Нобелевскую премию за открытие реликтового излучения. 

Детальный снимок реликтового излучения, созданный на основе девяти лет наблюдений спутника WMAP. Красным отмечены горячие области Вселенной.

Кстати, вы можете наблюдать его и сами: ­переключите телевизор на ненастроенный канал — видите серую рябь? Примерно одна десятая этой ряби и есть реликтовое излучение — письмо, шедшее 13 млрд лет к вашему телеэкрану.

Однако реликтовое излучение — это всё-таки свидетельство очень поздних времён. В 2014 году СМИ всполошились: астрономы открыли так называемую В-моду поляризации реликтового излучения (одну из возможных форм рисунка поляризации). К сожалению, это оказалось ошибкой: антарктический телескоп BICEP зафиксировал всего лишь космическую пыль. Наблюдения на новейшем космическом телескопе Planck тоже не позволили пока увидеть В-моду. Почему это важно? Речь идёт о доказательстве того, что поляризация реликтового излучения вызвана так называемыми первичными гравитационными волнами, которые появились во время инфляции.

Так что астрономам-наблюдателям по-прежнему есть что искать, а Линде, Гуту и Старобинскому придётся ещё немного подождать Нобелевской премии за уточнение обстоятельств Большого взрыва. Получим ли мы прямое свидетельство?