Если все, что вы видите, это низкоэнергетический свет во множестве направлений, вы не можете быть уверены. Но этот свет исходит от Большого Взрыва.
Есть много вещей, которые генерируют наблюдаемый сигнал во Вселенной. С точки зрения астрономии, основной способ поиска этих сигналов - это некоторая форма света. Либо физическое явление, о котором мы пытаемся узнать, генерирует какую-то форму света, которую мы собираем с помощью телескопа или другого инструмента, либо оно поглощает свет, что означает наличие пробела в фоновом сигнале, который можно было бы предсказать.
Но многие сигналы выглядят одинаково, и часто то, что мы приписываем одному источнику, оказывается результатом совсем другого процесса. Одно из обвинений, выдвинутых теми, кто не верит в Большой взрыв, заключается в том, что существует множество возможных способов создания фона космического излучения, температура которого всего на несколько градусов выше абсолютного нуля. Это точно? Давайте посмотрим на сам сигнал, чтобы выяснить это.
В 1964 году Арно Пензиас и Боб Уилсон обнаружили удивительное явление, используя свою новую игрушку: радиоантенну в Нью-Джерси. Антенна Holmdel Horn изначально была разработана как микроволновая антенна, используемая Bell Laboratories для спутниковой связи. Тем не менее, когда они пытались откалибровать свой инструмент, они не могли избавиться от шума. Солнце испускало излучение, как и галактика Млечный Путь. Но даже ночью, куда бы они ни направили свою антенну, сигнал не исчезал. Всегда был этот постоянный низкоэнергетический «гул», который нельзя было убрать.
Они перепробовали все свои калибровочные трюки; пытались выгнать птиц из антенны и почистить ее; они перепробовали все, что знали. Шум не исчезал. Всего на несколько градусов выше абсолютного нуля излучение, казалось, исходило отовсюду, одинаково.
Группа Боба Дике в Принстоне готовилась начать эксперимент с использованием устройства, известного как радиометр Дике, для поиска именно этого сигнала: реликт горячей, плотной фазы, которая, как многие теоретизировали, представляла собой происхождение наша расширяющаяся Вселенная. Если Вселенная возникла из горячего, плотного, однородного состояния, то по мере расширения она должна охлаждаться. Причина проста: температура излучения определяется длиной волны отдельных фотонов, из которых оно состоит.
По мере расширения Вселенной не только излучение становится менее плотным, но и растяжение пространства увеличивает длину волны фотонов, а фотоны с большей длиной волны соответствуют более низким температурам. Когда образуются нейтральные атомы, излучение уже не может взаимодействовать, а просто летит по прямой, пока с чем-нибудь не взаимодействует. 13,8 миллиарда лет спустя это что-то - наши глаза и инструменты, обнаруживающие ультрахолодную однородную ванну радиации в 2.725 К.
Конечно, многие альтернативные механизмы также могут производить радиационную ванну всего на несколько градусов выше абсолютного нуля.
Могло быть атмосферное явление, которое, в дополнение ко всему рассеянному солнечному свету и излучению водяного пара, производило однородное количество низкоэнергетического излучения, которое могло быть уловлено антенной. Эта идея была опровергнута COBE и другими спутниками, которые измеряли это излучение из космоса, намного выше земной атмосферы.
В космосе может быть большое количество рассеянной материи, которая затем поглощает звездный свет со всех сторон и переизлучает его при более низкой температуре. Существует физический закон, известный как закон Стефана-Больцмана, который описывает, как любая идеально поглощающая, абсолютно черная поверхность будет излучать при заданной температуре. Если бы такое вещество было равномерно распределено по Вселенной или даже окружало Землю в нашей собственной галактике, то поглощенный и переизлучаемый звездный свет, при условии, что все имеет правильную плотность, мог бы быть ответственным за этот сигнал.
За исключением того, что астрономия продвинулась до такой степени, что мы измерили количество пыли в нашей галактике, во Вселенной и вокруг Солнечной системы. Он имеет следующие свойства:
- распределена неравномерно,
- это не идеальный поглотитель (предпочтительно поглощает синий свет и пропускает красный свет),
- и в большинстве мест на небе, куда мы не смотрим в галактической плоскости или в плоскости зодиака, количества пыли недостаточно, чтобы объяснить это излучение.
Так что и это объяснение никуда не годится. На самом деле, одна из причин, по которой даже самые ранние наблюдения Пензиаса и Уилсона считались окончательным доказательством Большого взрыва, заключалась в том, насколько сильным был сигнал: примерно в 100 раз больше, чем возможный фоновый сигнал.
Но, возможно, далеко за пределами известных нам галактик есть что-то, что излучает сверхдальний источник света. В конце концов, звезды и галактики кажутся повсюду, а Солнце - почти идеальный излучатель абсолютно черного тела. Возможно, как утверждали некоторые, свет мог терять энергию, путешествуя по Вселенной: объяснение усталого света.
Этот свет - возможно, исходящий от звезд - мог просто потерять энергию со временем, выступая сегодня в виде очень низкоэнергетического фона. Если бы он возник таким образом, этот свет сейчас мог быть всего на несколько градусов выше абсолютного нуля. Тем не менее, вы бы объяснили это объяснение отдельно от предсказаний Большого Взрыва: когда ваш свет проходит через Вселенную, он не растягивается, а теряет энергию, чтобы принять другую спектральную форму. Оно больше не будет выглядеть как истинно черное тело, а будет сдвинутым черным телом, легко различимым по предсказаниям Большого взрыва.
Наблюдения за спутником COBE в 1992 году окончательно продемонстрировали, что его форма была настолько абсолютно черным телом, что эта альтернатива была исключена. На самом деле, это были настолько хорошие данные, что они продемонстрировали, что любое объяснение, основанное на звездном свете, отраженном или трансформированном, должно быть исключено..
Этому есть простая причина: Солнце не полностью непрозрачно для излучаемого им звездного света.
Внешние слои чрезвычайно тонкие и разреженные, и не все излучение, которое мы получаем здесь, на Земле, исходит от самого края этой плазмы. Вместо этого многое из того, что мы видим, происходит примерно из первых 500 километров, когда внутренние слои значительно горячее, чем самые внешние. Свет, исходящий от нашего Солнца или любой звезды, если уж на то пошло , является не абсолютно черным телом, а суммой многих черных тел, температура которых различается на многие сотни градусов.
Только когда вы сложите все эти черные тела вместе, вы сможете воспроизвести свет, который мы видим, исходящий от нашей родительской звезды. Космический микроволновый фон, если мы подробно рассмотрим его спектр, представляет собой гораздо более совершенное абсолютно черное тело, чем любая звезда, которая когда-либо могла надеяться быть.
Это не пыль. Это не звездный свет. Дело не в том, что ваш свет устает. Он не испускается атомами или молекулами и не содержит признаков того, что атомы или молекулы поглощают его части.
Это не земля, атмосфера, Солнечная система или галактика. Он не рассеивается из точечных источников и не возникает из туманных окрестностей, где расположены самые ранние звезды.
Этот фон излучения, который в своем спектре является более абсолютно черным телом, чем что-либо еще во Вселенной, должен иметь свое происхождение в горячем, плотном состоянии, существовавшем миллиарды лет назад.
Со временем точные детали позволили провести дальнейшую проверку, поскольку незначительные флуктуации температуры соответствуют несовершенствам плотности, которые нам понадобятся для воспроизведения структуры нашей Вселенной. Горячий движущийся газ во Вселенной смещает излучение туда, где оно существует, согласно эффекту Сюняева-Зельдовича. Температуры понижаются точно так, как предсказывается, по мере того, как более плотные регионы растут, а менее плотные регионы отказываются от своей материи, как предсказывают эффекты Сакса-Вульфа и интегральные эффекты Сакса-Вульфа.
Но нам не нужно усложнять себе жизнь, чтобы подтвердить существование Большого Взрыва и фальсифицировать альтернативы. Наблюдаемая температура и спектр космического микроволнового фона исключают все альтернативы: от устойчивого состояния к квазистационарному состоянию, к отраженному звездному свету, к усталому свету, к земному излучению и к плазменной космологии. Большой взрыв не принимается идеологией; это принято на основании доказательств. Если не появится конкурент, который сможет объяснить вездесущее остаточное свечение во Вселенной, оно останется для нас фундаментальной опорой в нашем исследовании Вселенной.