Есть три основных экспериментальных идеи, которые привели к эмпирической проверке Большого Взрыва, поэтому, даже если бы Эйнштейн и Леметр никогда не жили, мы были бы вынуждены признать, что Вселенная возникла в горячем и плотном состоянии: наблюдаемое расширение Хаббла; наблюдение космического микроволнового фонового излучения и наблюдаемое соответствие содержания легких элементов — водорода, гелия и лития — мы измерили во Вселенной со значениями, предсказывающими, что они были созданы в течение первых нескольких минут в истории Вселенной.
Давайте начнем с расширения Хаббла. Откуда мы знаем, что Вселенная расширяется? Мы измеряем скорость разбегания далеких объектов в зависимости от расстояния до них. Тем не менее, как только все видимые объекты за пределами нашего локального скопления (в котором мы связаны гравитацией) исчезнут из нашего горизонта, у нас больше не будет никаких следов расширения — ни звезд, ни галактик, ни квазаров, ни даже больших облаков газа — которые могли бы отслеживать наблюдатели. Расширение будет настолько быстрым, что оно унесет из нашего поля зрения все объекты, которые в настоящее время от нас удаляются.
Кроме того, в масштабах примерно менее триллиона лет все галактики в нашей локальной группе объединятся в несколько крупных метагалактик. Наблюдатели в далеком будущем увидят более или менее точно то, что думали, что видят, наблюдатели в 1915 году: одинокую галактику со звездами и планетами, окруженную огромным, пустым, статичным космосом.
Напомню также, что все доказательства того, что пустое пространство обладает энергией, получены благодаря наблюдению ускорения нашей расширяющейся Вселенной. Но, опять же, без следов расширения ускорение нашей расширяющейся Вселенной будет ненаблюдаемым. Действительно, по странному стечению обстоятельств мы живем в единственной эре в истории Вселенной, когда присутствие темной энергии, пронизывающей пустое пространство, можно обнаружить. Правда, эта эра длится несколько сотен миллиардов лет, но в вечно расширяющейся Вселенной она представляет собой лишь мгновение космического ока.
Если предположить, что энергия пустого пространства приблизительно постоянна, как это было бы в случае с космологической постоянной, то в гораздо более ранние времена плотность энергии материи и излучения значительно превышала бы плотность энергии в пустом пространстве. Причина в том, что по мере расширения Вселенной плотность материи и излучения уменьшается вместе с расширением, потому что расстояние между частицами растет, так что становится меньше объектов в каждой единице объема. В ранние времена, скажем, более чем примерно 5-10 млрд лет назад, плотность материи и излучения была бы гораздо больше, чем сегодня. Поэтому во Вселенной в то время и ранее преобладали материя и излучение, с их последующим гравитационным притяжением. В таком случае, расширение Вселенной в эти ранние времена замедлилось бы, и гравитационное воздействие энергии пустого пространства было бы ненаблюдаемым.
К тому же, в далеком будущем, когда Вселенной будет несколько сотен миллиардов лет, плотность материи и излучения уменьшится еще больше, и можно подсчитать, что темная энергия будет иметь среднюю плотность во много тыс. млрд. раз больше, чем плотность всей остальной материи и излучения во Вселенной. К тому времени она будет полностью определять гравитационную динамику Вселенной на больших масштабах. Тем не менее, в том далеком будущем скорость расширения станет в сущности ненаблюдаемой. В этом смысле, энергия пустого пространства самой своей природой убеждает, что существует конечное время, в течение которого скорость расширения наблюдаема, и, на удивление, мы живем в это космологическое мгновение.
Что можно сказать о другом основополагающем аспекте Большого Взрыва, космическом микроволновом фоновом излучении, которое дает непосредственное представление о детстве Вселенной? Во-первых, поскольку, чем дальше, тем Вселенная расширяется все быстрее, температура реликтового излучения будет падать. Когда наблюдаемая сейчас Вселенная станет примерно в 100 раз больше, чем сейчас, температура реликтового излучения упадет в 100 раз, а его интенсивность, или плотность энергии, хранящейся в нем, упадет в 100 млн. раз, что приведет к тому, что тогда его будет в 100 миллионов раз труднее обнаружить, чем сейчас.
Но, в конце концов, мы смогли обнаружить реликтовое излучение среди всех других электронных шумов на Земле, и мы можем себе представить, что наблюдатели в далеком будущем будут в 100 миллионов раз умнее, чем те, которых мы прославляем сегодня, так что надежда еще есть. Увы, оказывается, что даже самый блестящий наблюдатель, какого можно себе представить, с самым чувствительным оборудованием, которое можно построить, все же фактически не сможет добиться успеха в далеком будущем. Причина в том, что в нашей галактике (или метагалактике, которая сформируется, когда наша галактика сольется со своими соседями, начиная с галактикой Андромеды примерно через 5 миллиардов лет) между звездами есть горячий газ, и этот газ ионизируется, поэтому в нем содержатся электроны, и он ведет себя подобно плазме. Как я описывал ранее, такая плазма непрозрачна для многих видов излучения.
Есть нечто, называемое «плазменной частотой», ниже которой излучение не может проходить сквозь плазму без поглощения. Основываясь на нынешней наблюдаемой плотности свободных электронов в нашей галактике, можно оценить плазменную частоту в нашей галактике, и если мы это сделаем, мы узнаем, что основная часть реликтового излучения от Большого Взрыва будет растянута ко времени, когда Вселенная достигнет возраста примерно в 50 раз больше современного, до достаточно длинных волн, и, следовательно, до достаточно низких частот, которые к тому времени будут ниже плазменной частоты нашей будущей (мета)галактики. После этого излучение по существу не сможет проникнуть в нашу (мета)галактику, чтобы его можно было наблюдать, независимо от упорства наблюдателя. Космическое микроволновое фоновое излучение тоже исчезнет.
Поэтому не будет никакого наблюдаемого расширения, никакого остаточного свечения Большого Взрыва. Но а как же обилие легких элементов — водорода, гелия и лития — которое также дает ясный след Большого Взрыва?
Действительно, как я описал в главе 1, всякий раз, когда я встречаю кого-то, кто не верит в Большой Взрыв, я люблю показать ему следующий рисунок, который я храню в виде карточки в моем бумажнике. Я тогда говорю: «Смотрите! Большой Взрыв был!»
Этот график выглядит очень сложно, я знаю, но он действительно показывает прогнозируемое относительное содержание гелия, дейтерия, гелия-3 и лития, по сравнению с водородом, исходя из нашего нынешнего понимания Большого Взрыва. Верхняя кривая, идущая вверх и вправо, отображает прогнозируемое содержание гелия, второго самого распространенного элемента во Вселенной (по весу) по сравнению с водородом (самым распространенным элементом). Следующие две кривые, идущие вниз и вправо, представляют прогнозируемое содержание соответственно дейтерия и гелия-3, не по весу, а по числу атомов, по сравнению с водородом. Наконец, нижняя кривая представляет прогнозируемое относительное содержание следующего легчайшего элемента, лития, опять же по числу атомов.
Эти прогнозируемые содержания нанесены в виде зависимости от предполагаемой общей плотности обычной материи (сделанной из атомов) во Вселенной сегодня. Если бы изменение этой величины не давало сочетания всех этих прогнозируемых содержаний элементов, которые соответствуют нашим наблюдениям, это было бы убедительным доказательством против того, что они созданы в горячем Большом Взрыве. Обратите внимание, что предсказанные содержания этих элементов варьируют почти на 10 порядков.
Незаштрихованные прямоугольники, связанные с каждой кривой, представляют допустимый диапазон фактически установленного изначального содержания этих элементов, основанного на наблюдениях старых звезд и горячего газа внутри и за пределами нашей галактики.
При этом вертикальная заштрихованная полоса представляет собой ту область, где все прогнозы согласуются с наблюдениями. Трудно себе представить более реальное подтверждение, чем это соответствие между предсказаниями и наблюдениями, к тому же для элементов, прогнозируемое содержание которых варьируется на 10 порядков, для раннего, горячего Большого Взрыва, когда все легкие элементы были недавно созданы.
Стоит повторить смысл этого замечательного соответствия более настойчиво: только в первые секунды горячего Большого Взрыва, с начальным обилием протонов и нейтронов, давшим в результате что-то очень близкое к наблюдаемой плотности вещества в видимых галактиках сегодня, и плотностью излучения, оставившего след, который в точности соответствует наблюдаемой интенсивности космического микроволнового фонового излучения сегодня, только тогда могли происходить ядерные реакции, которые могли создать именно такое количество легких элементов, водорода и дейтерия, гелия и лития, которое, как мы полагаем, содержится в основных строительных блоках звезд, наполняющих ночное небо сейчас.
