Первым, кто попытался точно измерить кривизну пространства, был никому тогда не известный русский математик Николай Иванович Лобачевский, живший в далекой Казани. Лобачевский, в отличие от Гаусса, был одним из двух математиков, у кого хватило храбрости обнародовать свои представления о возможности так называемых «гиперболических» геометрий, в которых параллельные прямые могут расходиться. Примечательно, что Лобачевский еще в 1830 г. опубликовал свою работу о гиперболической геометрии (что на сегодняшнем языке именуется отрицательно искривленным пространством, или открытой Вселенной).
Вскоре после этого Лобачевский рассмотрел вопрос о том, может ли наша трехмерная Вселенная быть гиперболической, и предложил «исследовать звездный треугольник для экспериментального разрешения этого вопроса». Он предложил провести наблюдения яркой звезды Сириус в те моменты, когда Земля находится в противоположных точках на орбите вокруг Солнца, то есть с промежутком в 6 месяцев. Из этих наблюдений Лобачевский сделал вывод, что кривизна нашей Вселенной должна быть как минимум в 166 000 раз больше радиуса земной орбиты. Казалось бы, большое число, но по космическим масштабам оно весьма скромное
[14].
Идея Лобачевского была правильная, просто ему, к несчастью, помешало несовершенство тогдашней техники. Однако 150 лет спустя положение заметно улучшилось благодаря важнейшим наблюдениям за всю историю космологии – исследованиям космического микроволнового (реликтового) излучения.
Реликтовое излучение – не что иное, как послесвечение Большого взрыва. Это очередное прямое доказательство, что Большой взрыв действительно был (если такие доказательства кому-то еще нужны), поскольку позволяет непосредственно заглянуть в прошлое и определить, какова была природа очень юной горячей Вселенной, из которой впоследствии возникло все, что мы наблюдаем сегодня.
В числе прочих поразительных свойств реликтового излучения – то, что открыли его не где-нибудь, а в Нью-Джерси и сделали это двое ученых, не имевших ни малейшего представления о том, чтó они, собственно, наблюдают. Другое дело, что мы десятки лет его не замечали, хотя оно было у нас прямо под носом и его вполне можно было зарегистрировать. Вероятно, даже вы видели своими глазами его влияние, если не слишком молоды и застали эпоху эфирного телевидения, когда каналы прекращали вещание за полночь и по ночам не гоняли рекламу. Если помните, после прекращения вещания показывали телевизионную настроечную таблицу, а потом экран демонстрировал шумы. Примерно 1 % этих шумов был вызван реликтовым излучением, оставшимся от Большого взрыва.
Происхождение реликтового излучения более или менее очевидно. Поскольку возраст Вселенной конечен (напомню, ей 13,72 млрд лет) и чем больше расстояние до объекта, который мы рассматриваем, тем дальше в прошлое мы заглядываем (так как свету потребовалось больше времени, чтобы дойти от этих объектов до нас), то можно представить себе, что, если заглянуть достаточно далеко, мы увидим собственно Большой взрыв. В принципе в этом нет ничего невозможного, но на практике между нами и началом времен стоит непроницаемая стена. Не физическая, вроде стен комнаты, где я пишу эти строки, но в целом столь же эффективная.
Видеть сквозь стены моей комнаты я не могу, потому что они непрозрачные. Они поглощают свет. Так вот, если я буду смотреть в небо – все дальше и дальше в прошлое, – то я увижу Вселенную, которая будет чем дальше, тем моложе и жарче, потому что с момента Большого взрыва она только и делает, что остывает. Если я загляну достаточно далеко в прошлое, во времена, когда Вселенной было около 300 000 лет, то увижу, что ее температура составляла тогда около 3000 градусов по шкале Кельвина. При такой температуре фоновое излучение было настолько энергичным, что могло разбивать преобладающие во Вселенной атомы – атомы водорода – на отдельные составляющие, протоны и электроны. До этого времени нейтрального вещества не существовало. Обычное вещество во Вселенной, состоящее из атомных ядер и электронов, в ту пору представляло собой плотную плазму из заряженных частиц, взаимодействовавших с излучением.
Плазма же может быть непроницаемой для излучения. Заряженные частицы в плазме поглощают фотоны и испускают их заново, и излучение не способно беспрепятственно пройти через подобный материал. В результате, когда я пытаюсь заглянуть в прошлое, то не вижу ничего дальше того времени, когда вещество во Вселенной состояло в основном из такой плазмы.
Это очень похоже на стены моей комнаты. Я вижу их только потому, что электроны в атомах на поверхности стены поглощают фотоны света в моем кабинете, а потом излучают их заново, а воздух между мной и стеной прозрачен, поэтому я вижу все до самой поверхности стены, которая отражает свет. Так и во Вселенной. Когда я заглядываю в нее, то вижу все до этой «поверхности последнего рассеяния» – границы, на которой Вселенная становится нейтральной: протоны соединяются с электронами и возникают нейтральные атомы водорода. Ближе этой границы Вселенная в основном проницаема для излучения, и я вижу излучение, которое поглощается и испускается электронами, с тех пор как вещество во Вселенной стало нейтральным.
Именно поэтому картина Вселенной, где произошел Большой взрыв, предполагает, что от этой поверхности последнего рассеяния в мою сторону должно отовсюду идти излучение. Поскольку Вселенная с тех пор расширилась примерно в 1000 раз, излучение по пути к нам остыло, и теперь его температура всего на 3° выше абсолютного нуля. Именно этот сигнал и обнаружили двое ничего не подозревавших ученых из Нью-Джерси в 1965 г. и впоследствии получили за это открытие Нобелевскую премию.
Более того, недавно за исследование реликтового излучения присудили еще одну Нобелевскую премию, и вполне заслуженно. Если бы мы могли сфотографировать поверхность последнего рассеяния, у нас получилась бы картина новорожденной Вселенной, возраст которой составляет всего-то 300 000 лет. Мы бы увидели все структуры, которым предстояло в один прекрасный день сколлапсировать в галактики, звезды, планеты, инопланетян и все прочее. А главное, эти структуры не были бы затронуты последовавшей динамической эволюцией, способной скрыть первоначальную природу и происхождение крошечных первичных возмущений вещества и энергии, которые, как предполагают, возникали в результате экзотических процессов в первые мгновения Большого взрыва.
