Спросите у Этана: каковы были размеры Вселенной в момент ее рождения?

Вы, наверное, думаете, что вселенная бесконечна? Может быть и так. Вряд ли мы когда-нибудь узнаем об этом точно. Охватить взглядом всю нашу вселенную целиком не получится. Во-первых, данный факт вытекает из концепции «большого взрыва», которая утверждает, что у вселенной имеется свой, так сказать, день рождения, а, во-вторых, из постулата о том, что скорость света — фундаментальная постоянная. К настоящему времени наблюдаемая часть вселенной, возраст которой составляет 13,8 миллиардов лет, расширилась во всех направлениях на расстояние 46,1 миллиардов световых лет. Возникает вопрос: каковы были размеры вселенной тогда, 13,8 миллиардов лет назад? Этот вопрос нам задал некто Джо Маскарелла (Joe Muscarella). Вот что он пишет:

«Мне встречались разные ответы на вопрос о том, каковы были размеры нашей вселенной вскоре после того, как закончился период космической инфляции (космическая инфляция — фаза, предшествовавшая Большому взрыву, — прим. пер.). В одном источнике указано — 0,77 сантиметров, в другом — размер с футбольный мяч, а в третьем — больше, чем размеры наблюдаемой вселенной. Так который же из них? А может быть какой-то промежуточный?»

  Кстати, минувший год как раз дает нам повод, чтобы поговорить и об Эйнштейне, и о сущности пространства-времени, ведь в прошедшем году мы отпраздновали столетний юбилей общей теории относительности. Итак, давайте поговорим о вселенной.

Когда мы через телескоп наблюдаем за отдаленными галактиками, то можем определить некоторые их параметры, например, следующие:

— красное смещение (т.е. насколько испускаемый ими свет сместился по отношению к инерциальной системе отсчета);

— яркость объекта (т.е. измерить количество света, излучаемого удаленным объектом); 

— угловой радиус объекта.

Эти параметры очень важны, поскольку если известна скорость света (один из немногих параметров, который нам известен), а также яркость и размеры наблюдаемого объекта (эти параметры нам тоже известны), то можно определить расстояние до самого объекта.

На деле приходится довольствоваться лишь приблизительными характеристиками яркости объекта и его размерами. Если астроном наблюдает в какой-нибудь далекой галактике вспышку сверхновой, то для измерения ее яркости используются соответствующие параметры других сверхновых, расположенных по соседству; мы предполагаем, что условия, в которых эти сверхновые вспыхнули, сходны, а между наблюдателем и космическим объектом нет никаких помех. Астрономы выделяют следующие три вида факторов, обуславливающих наблюдение за звездой: звездная эволюция (различие объектов в зависимости от их возраста и удаленности), экзогенный фактор (если реальные координаты наблюдаемых объектов значительно отличаются от гипотетических) и фактор помех (если, например, на прохождение света оказывают влияние помехи, вроде пыли) — и это все помимо прочих, нам не известных факторов.

Измерив яркость (или размеры) наблюдаемого объекта, с помощью соотношения «яркость/ расстояние» можно определить удаленность объекта от наблюдателя. Более того, по характеристике красного смещения объекта можно определить масштабы расширения вселенной за то время, в течение которого свет от объекта достигает Земли. Используя соотношение между материей-энергией и пространством-временем, о которых говорит общая теория относительности Эйнштейна, можно рассматривать всевозможные комбинации различных форм материи и энергии, имеющиеся на данный момент во вселенной.

Но это еще не все!

Если известно, из каких частей состоит вселенная, то с помощью экстраполяции можно определить ее размеры, а также узнать о том, что происходило на любом из этапов эволюции вселенной, и о том, какова была на тот момент плотность энергии. Как известно, вселенная состоит из следующих составных частей:

— 0,01% — излучение (фотоны);

— 0,1% — нейтрино (более тяжелые, чем фотоны, однако в миллион раз легче электронов);

— 4,9% — обычная материя, включая планеты, звезды, галактики, газ, пыль, плазму и черные дыры;

— 27% — темная материя, т.е. такой ее вид, который участвует в гравитационном взаимодействии, но отличается от всех частиц Стандартной модели;

— 68% — темная энергия, обуславливающая расширение вселенной.

Как видим, темная энергия — штука важная, ее открыли совсем недавно. Первые девять миллиардов лет своей истории вселенная состояла в основном из материи (в виде комбинации материи обычной и материи темной). Однако на протяжении первых нескольких тысячелетий излучение (в виде фотонов и нейтрино) представляло собой еще более важный строительный материал, чем материя!

Обратите внимание, что каждая из этих составных частей вселенной (т.е. излучение, материя и темная энергия) по-разному влияют на скорость ее расширения. Даже если мы знаем, что протяженность вселенной составляет 46,1 миллиардов световых лет, мы должны знать точную комбинацию составляющих ее элементов на каждом этапе ее эволюции для того, чтобы рассчитать размеры вселенной в любой момент времени в прошлом.

Далее мы приводим некоторые интересные факты, описывающие вселенную в различные моменты ее эволюции:

— когда вселенной исполнилось примерно три года, диаметр Млечного Пути составлял сто тысяч световых лет;

— когда вселенной исполнился один год, она была намного более горячей и плотной, чем сейчас; средняя температура превышала два миллиона градусов по Кельвину;

— через одну секунду после своего рождения, вселенная была слишком горячей, чтобы в ней могли сформироваться стабильные ядра; в тот момент протоны и нейтроны плавали в море горячей плазмы. Кроме того, в то время радиус вселенной (если в качестве центра круга взять Солнце) был таким, что в описанный круг могли бы поместиться всего лишь семь из всех ныне существующих ближайших к нам звездных систем, самой отдаленной из которых стала бы Ross 154 (Ross 154 — звезда в созвездии Стрельца, расстояние 9,69 световых лет от Солнца — прим. пер.);

— когда возраст вселенной составлял всего одну триллионную секунды, ее радиус не превышал расстояния от Земли до Солнца; в ту эпоху скорость расширения вселенной была в 1029 раз больше, чем сейчас.

При желании можно посмотреть, что происходило на заключительном этапе инфляции, т.е. непосредственно перед Большим взрывом. Для описания состояния вселенной на самой ранней стадии ее рождения можно было бы использовать гипотезу о сингулярности, но благодаря гипотезе об инфляции нужда в сингулярности полностью отпадает. Вместо сингулярности мы говорим об очень быстром расширении вселенной (т.е. об инфляции), происходившем в течение некоторого времени, прежде чем возникло горячее и плотное расширение, которое положило начало нынешней вселенной. Теперь перейдем к заключительному этапу инфляции вселенной (временной интервал между 10 в минус 30 — 10 в минус 35 секундами). Давайте посмотрим, каковы были размеры вселенной в тот момент, когда инфляция прекратилась и произошел большой взрыв.

Здесь мы говорим о наблюдаемой части вселенной. Истинный ее размер, безусловно, намного больше, но мы не знаем, насколько. При самом наилучшем приближении (если судить по данным, содержащимся в Слоановском цифровом небесном обзоре (SDSS), и информации, полученной с борта космической обсерватории Планка), если вселенная искривляется и сворачивается, то ее наблюдаемая часть настолько неотличима от «неискривленной», что весь ее радиус должен быть, по крайней мере, в 250 раз больше радиуса наблюдаемой части.

По правде говоря, протяженность вселенной может оказаться даже бесконечной, поскольку то, как она вела себя на раннем этапе инфляции, нам неизвестно за исключением последних долей секунды. Но если говорить о том, что происходило во время инфляции в наблюдаемой части вселенной в самый последний момент (в промежутке между 10 в минус 30 и 10 в минус 35 секундой) перед Большим взрывом, то здесь размер вселенной нам известен: он варьируется между 17 сантиметрами (на 10 в минус 35 секунде) и 168 метрами (на 10 в минус 30 секунде).

Что такое семнадцать сантиметров? Это почти диаметр футбольного мяча. Так что, если вы хотите знать, какой из указанных размеров вселенной ближе всего к реальному, то придерживайтесь этой цифры. А если предположить размеры меньше сантиметра? Этого слишком мало; однако, если учесть ограничения, налагаемые космическим микроволновым излучением, то получится, что расширение вселенной не могло закончиться при столь высоком уровне энергий, а значит и упомянутый выше размер вселенной в самом начале «Большого взрыва» (т.е. размер, не превышающий сантиметр) исключен. Если размеры вселенной превышали нынешние, то в этом случае имеет смысл говорить о существовании ненаблюдаемой ее части (что, наверное, правильно), но у нас нет никаких способов эту часть измерить.

Итак, каковы же были размеры вселенной в момент ее зарождения? Если верить наиболее авторитетным математическим моделям, описывающим стадию инфляции, то получится, что размеры вселенной на момент возникновения будут колебаться где-то в пределах между размером человеческой головы и городским кварталом, застроенным небоскребами. А там, глядишь, пройдет всего каких-нибудь 13,8 миллиарда лет — и появилась та вселенная, в которой мы живем.