До формирования первых звёзд Вселенная была уже заполнена светом. Но как?

Свет считает, что он быстрее всех, но он ошибается: неважно, как быстро летит свет — темнота уже на месте и дожидается его.
— Терри Пратчетт

Если мы смотрим на Вселенную, мы видим точечки света, рассыпанные по огромной пустой темноте неба: звёзды, галактики, туманности и так далее. Но в далёком прошлом было время, до того, как все эти объекты сформировались и незадолго до Большого взрыва, когда Вселенная была заполнена светом. На этой неделе профессор химии Фабио Гоччо не смог ответить на один вопрос и отправил его в нашу рубрику:

Я пытаюсь держать студентов в курсе происходящего, используя материалы вашего блога. Недавно во время обсуждения Большого взрыва был задан хороший вопрос: откуда в КМФИ взялись фотоны? Как я понимаю, они появились в результате аннигиляции пар частиц/античастиц, получившихся в результате квантовых флюктуацию после инфляции. Но не должна ли была эта энергия «вернуться», поскольку они изначально были «взяты взаймы» для создания пар частица/античастица?

Некоторые вещи в вопросе Фабио очень точно сформулированы, но в нём есть и заблуждения. Давайте для начала рассмотрим КМФИ и вопрос его происхождения в далёком прошлом.

В 1965 году дуэт из Арно Пензиаса и Роберта Уилсона работал в лаборатории Белла в Холмделе, Нью-Джерси над калибровкой новой антенны, предназначенной для передачи сигналов радаров со спутников. Но вне зависимости от того, куда они направляли свою антенну, они получали шум. Он не был связан с Солнцем, другими звёздами или планетами, или даже плоскостью Млечного пути. Он продолжался днём и ночью, и его мощность не менялась от направления.

После долгого замешательства по поводу природы шума они узнали, что команда исследователей, находящаяся буквально в 30 милях от них, в Принстоне, предсказала существование такого излучения, не являющегося следствием чего-либо, происходящего на нашей планете, в Солнечной системе или Галактике. Излучение должно было родиться в горячем плотном состоянии в ранней Вселенной: в момент Большого взрыва.

Шли десятилетия, мы измеряли излучение со всё возрастающей точностью и обнаруживали, что оно находилось не на отметке 3 градусов выше абсолютного нуля, а на отметке в 2,7 К, затем в 2,73 К, затем в 2,725 К. И возможно, величайшим из всех достижений, касающихся этого остаточного свечения, было измерение его спектра, показавшее спектр идеального чёрного тела. Результат согласуется с теорией Большого взрыва и не согласуется с другими теориями, такими, как отражённый звёздный свет или теория уставшего света.

Чуть позже мы даже измерили – исходя из поглощения и взаимодействия этого света с газовыми облаками – что температура этого излучения повышается тем больше, чем дальше назад мы заглядываем во времени (и в сторону красного смещения).

С расширением Вселенная охлаждается, и когда мы смотрим дальше в прошлое, мы видим меньшую, более плотную и горячую Вселенную.

И откуда же этот свет – первый свет Вселенной – появился? Он не пришёл от звёзд, так как он древнее их. Он не был испущен атомами, поскольку он появился раньше того, как сформировались атомы. Если мы и дальше будем экстраполировать назад, ко всё более высоким энергиям, мы выясним много странного: благодаря Эйнштейновскому E = mc², эти кванты света могут взаимодействовать друг с другом и спонтанно порождать пары частица/античастица материи и антиматерии!

И это, как правильно указал Фабио, не виртуальные пары частиц материи и антиматерии, существующие долю секунды из-за принципа неопределённости Гейзенберга и неравенства ΔE Δt ≥ ћ/2, но вполне реальные частицы. Как два протона, сталкивающиеся в БАК, могут создать большое количество новых частиц и античастиц (обладая достаточной энергией), два фотона в ранней Вселенной могли создать всё, для чего у них хватало энергии. Экстраполируя назад во времени, можно заключить, что вскоре после Большого взрыва в наблюдаемой Вселенной содержалось порядка 10⁸⁹ пар частица/античастица.

Если кто-то из вас интересуется, как Вселенная оказалась заполненной материей (и не антиматерией) – по-видимому, должен быть некий процесс, создающий чуть больше частиц, чем античастиц (в соотношении порядка 1 к 1 000 000 000) из изначально симметричного состояния, приводящий к тому, что во Вселенной сейчас содержится 10⁸⁰ частиц материи и 10⁸⁹ фотонов.

Но это не объясняет, откуда же изначально взялась вся материя, антиматерия и излучение. Энтропия большая, и простое объяснение «с этого началась Вселенная» будет неудовлетворительным. Но если мы обратимся к решению совершенно другого набора задач – проблемы горизонта и проблемы плоскостности – ответ на первый вопрос появится сам.

Нечто должно было случиться, чтобы задать начальные условия Большого взрыва и это нечто – космическая инфляция, или период, когда больше всего энергии во Вселенной содержалось не в материи (или антиматерии) или излучении, но в энергии, присущей самому пространству, в ранней, сверхинтенсивной форме тёмной энергии.

Инфляция распрямила Вселенную, задала везде одинаковые начальные условия, разбросала все изначально существовавшие частицы или античастицы и создала зародышевые флюктуации там, где во Вселенной теперь наблюдается повышение или понижение плотности. Но как понять, откуда все эти частицы, античастицы и излучение появились? Они появились из одного простого факта: чтобы получить нашу сегодняшнюю Вселенную, инфляция должна была закончиться. В терминах энергии, инфляция происходит, когда вы медленно спускаетесь в потенциальную яму, но когда вы уже спустились в долину внизу, инфляция прекращается и преобразовывает эту энергию (накопленную на вершине) в материю, антиматерию и излучение и порождает то, что мы называем Большим взрывом.

Вот как это можно себе представить.

Допустим, у нас есть огромная, бесконечная поверхность кубиков, прижатых друг к другу и держащихся вместе невероятно большой силой притяжения. По ним катится тяжёлый шар для боулинга. В большинстве мест шар не сделает больших возмущений, но в некоторых слабых местах шар оставит вмятины. В одном счастливом месте у шара получится пробиться через несколько блоков, и они упадут. Что случится после этого? Потеря нескольких блоков приведёт к цепной реакции из-за отсутствия натяжения и вся структура рассыплется.

Падение кубиков на очень далёкую поверхность будет означать конец инфляции. И там энергия, присущая самому пространству, преобразовывается в реальные частицы. Из-за того, что плотность энергии пространства была такой высокой во время инфляции и появляется большое количество частиц, античастиц и фотонов, созданных по окончанию инфляции.

Этот процесс, окончания инфляции и появления Большого взрыва, известен как повторный космический нагрев и по мере того, как Вселенная охлаждается и расширяется, пары частица/античастица аннигилируют, создавая ещё больше фотонов и оставляя за собой небольшое количество материи.

Когда Вселенная продолжает расширяться и охлаждаться, появляются ядра, нейтральные атомы и потом уже звёзды, галактики, скопления, тяжёлые элементы, планеты, органические молекулы и жизнь. И всё это время те фотоны, оставшиеся после Большого взрыва, следы окончания инфляции, начавшей весь этот процесс, летят сквозь Вселенную, постепенно охлаждаясь, но не исчезая совсем. Когда последняя звезда Вселенной погаснет, эти фотоны – давно уже сместившиеся в радиодиапазон и рассредоточившиеся до плотности одной штуки на кубический километр – всё ещё будут присутствовать в таком же количестве, в каком они присутствовали триллионы и квадриллионы лет раньше.

Вот откуда взялся первый свет во Вселенной и как он пришёл к сегодняшнему состоянию. Спасибо за прекрасный вопрос, позволивший рассказать удивительную историю, Фабио! Присылайте мне ваши вопросы и предложения для следующих статей.