Большой взрыв устраивает не всех. Но любая альтернатива - это катастрофический провал.
К этому относятся так, как будто это неопровержимая научная истина: 13,8 миллиарда лет назад Вселенная, какой мы ее знаем, возникла из горячего и плотного состояния, известного как Большой взрыв. Хотя в течение десятилетий рассматривался ряд серьезных альтернатив, на протяжении 20-го века научный консенсус возник более 50 лет назад с открытием космического микроволнового фона. Несмотря на многочисленные попытки реанимировать самые разные дискредитированные идеи, а также попытки сформулировать новые возможности, все они пали под бременем полного набора астрономических данных. Большой взрыв доминирует как единственная достоверная теория нашего космического происхождения.
Вот как мы обнаружили, что наша Вселенная началась со взрыва.
Ряд новых открытий, сделанных в начале 20-го века, произвел революцию в нашем взгляде на Вселенную. В 1923 году Эдвин Хаббл измерил отдельные звезды в спиральных туманностях, измерив их переменные периоды и наблюдаемую яркость. Благодаря работе Генриетты Ливитт по формулировке закона Ливитта, который связывал переменный период такой звезды с ее собственной яркостью, мы получили измерения расстояния до галактик, в которых они находились. Эти галактики находились далеко за пределами нашего Млечного Пути, и большинство из них находились на расстоянии миллионов световых лет от нас.
В сочетании с измерениями красного смещения мы смогли обнаружить важную взаимосвязь: чем дальше от нас казалась галактика, тем больше было измеренное ее красное смещение. Был выдвинут ряд возможных объяснений, например, свет от этих объектов терял энергию при путешествии в пространстве или более далекие галактики удалялись быстрее, чем более близкие, как будто все они возникли в результате взрыва.
Однако одно объяснение оказалось наиболее убедительным: Вселенная расширялась. Это объяснение соответствовало предсказаниям общей теории относительности, а также наблюдаемой крупномасштабной гладкости, наблюдаемой во всех направлениях и местах. По мере того, как было обнаружено больше галактик на больших расстояниях, эта картина получила дальнейшее подтверждение. Вселенная расширялась.
Опять же, появилось несколько правильных объяснений, даже в контексте общей теории относительности. Конечно, если бы Вселенная расширялась во всех направлениях, мы бы видели, как далекие объекты удаляются от нас, а более далекие объекты, казалось бы, удаляются быстрее. Но это может быть:
- потому что объекты также имели большие, неизмеримые поперечные движения, как будто Вселенная тоже вращалась,
- или потому, что Вселенная колебалась, и если бы мы посмотрели достаточно далеко, мы бы увидели обратное расширение,
- или потому, что расширение вызвало медленное создание новой материи, в результате чего Вселенная казалась неизменной во времени,
- или потому, что Вселенная возникла из горячего и плотного состояния.
Только последний вариант представляет горячий Большой взрыв.
Но если бы идея Большого Взрыва была верна, появилось бы множество новых предсказаний. Расширяющаяся Вселенная в контексте общей теории относительности была первой, но было три других, основных, которые привели бы к наблюдаемым последствиям, отличным от альтернатив.
Во-первых, если Вселенная возникла из сколь угодно горячего, плотного и более однородного состояния, чтобы расшириться и охладиться до того, что мы видим сегодня, то когда мы смотрим дальше, мы смотрим назад во времени, и мы должны увидеть Вселенную такой, какой она была, когда она была моложе. Следовательно, мы должны были бы видеть галактики меньшего размера, менее массивные и состоящие из более молодых и голубых звезд на больших расстояниях, прежде чем прибыть в то время, когда звезд или галактик вообще не было.
Второй, экстраполируя еще дальше назад, будет то, что должно быть время, когда Вселенная была настолько горячей и энергичной, что даже нейтральные атомы не могли образоваться. Таким образом, на каком-то очень раннем этапе Вселенная перешла от ионизированной плазмы к плазме, заполненной нейтральными атомами. Любое излучение, которое было вокруг на той ранней стадии, должно было просто попасть в наши глаза, затронутое только расширением Вселенной.
Основываясь на температуре, при которой атомы становятся нейтральными по сравнению с ионизированными, мы ожидаем, что это излучение будет всего на несколько градусов выше абсолютного нуля, сдвигая его сегодня в микроволновую часть спектра. Отсюда и термин «Космический микроволновый фон». Кроме того, поскольку он имеет тепловое происхождение, но смещается в красную сторону вместе с расширяющейся Вселенной, мы также ожидаем, что его спектр будет иметь особую форму: спектр абсолютно черного тела. Первоначально радиационный фон был обнаружен примерно на уровне 3 К, и с тех пор измерения были уточнены, так что мы не только знаем, что он составляет 2,7255 К, но и что его спектр определенно чернотельный и не согласуется с объяснением отраженного звездного света. (Что может быть объяснено одним из альтернативных объяснений.)
Наконец, есть и третье предсказание: исходя из ранней истории Вселенной, элементы должны были образовываться в результате ядерного синтеза в определенных соотношениях. Сегодня это должно означать, что до того, как образовались какие-либо звезды, Вселенная должна была быть примерно:
- 75% водорода (по массе),
- 25% гелий-4,
- 0,01% дейтерия,
- 0,01% гелия-3 и
- 1-миллионная доля лития-7.
Вот и все; не должно было быть элементов тяжелее этого. Водород, гелий, немного изотопов каждого и немного лития.
Наблюдения также подтвердили это. Далекий свет, исходящий либо от ранних галактик, либо от далеких квазаров, поглощается промежуточными облаками газа, что позволяет нам исследовать состав этого газа. В 2011 году мы обнаружили два нетронутых газовых облака, обнаружив водород и гелий в точном предсказанном соотношении и обнаружив (впервые) газовую популяцию, в которой не было ни кислорода, ни углерода: первые продукты новообразованных звезд.
Единственный способ прийти к Космическому Микроволновому Фону с однородностью, спектром и температурой, которыми он обладает, - постулировать его горячее тепловое происхождение в контексте расширяющейся Вселенной. Это было предположено еще в 1940-х годах Джорджем Гамовым и его сотрудниками, впервые наблюдалось в 1960-х Арно Пензиасом и Бобом Уилсоном, а в 1990-х годах с помощью спутника COBE было окончательно доказано, что его спектр является черным телом.
Крупномасштабная структура Вселенной была определена с помощью обзоров всего неба и измерений глубокого поля с помощью наземно-космических обсерваторий и выявила Вселенную, соответствующую Большому взрыву, а не с альтернативами. И эволюция содержаний элементов, от ранних стадий, не содержащих металлов, к промежуточным стадиям с низким содержанием металлов и к поздним стадиям, богатым металлами, которые мы наблюдаем сегодня, - все это демонстрирует обоснованность Большого взрыва.
Если вы сможете придумать альтернативное объяснение этим четырем наблюдениям, у вас будет начало жизнеспособной альтернативы Большому Взрыву. Объясните наблюдаемое расширение Вселенной, крупномасштабную структуру и эволюцию галактик, космический микроволновый фон вместе с его температурными и спектральными свойствами, относительную распространенность и эволюцию элементов во Вселенной, и вы бросите вызов теория нашего космического происхождения.
В течение более чем 50 лет ни одна альтернатива не могла удовлетворить все четыре требования. Никакая альтернатива не может даже дать Космический Микроволновый Фон, каким мы его видим сегодня. Это не из-за отсутствия попыток или хороших идей; это потому, что на это указывают данные. Ученые не верят в Большой взрыв; они заключают его на основе полного набора наблюдений. Последние приверженцы древних, дискредитированных альтернатив наконец отмирают. Большой взрыв больше не является революционной конечной точкой научного предприятия; это прочный фундамент, на котором мы строим. Его прогностические успехи были ошеломляющими, и до сих пор не было найдено ни одной альтернативы, справившейся с задачей соответствия его научной точности в описании Вселенной.