Глава 6. Самый древний свет

Ночь 57. Шипение на линии

Утром 57-го дня Нур заметила шипение во время первого сеанса связи с Землёй. Оно было очень слабым, как шум далёкого дождя, и лежало под каждым голосом, который звучал в её гарнитуре. Команды на Земле по-прежнему хорошо её слышали, и она по-прежнему понимала их. Но шипение было, а на космической станции всё, чего быть не должно, стоит проверить.

Земля попросила её помочь найти причину. Ей прислали короткий перечень операций, и она проходила его в перерывах между другими делами дня. Сначала она послушала через другую гарнитуру. Шипение осталось. Потом переключилась на другую панель радиосвязи. Шипение осталось. Потом одну за другой проверила настройки, которые ей зачитывали с Земли. Всё совпадало. К обеду она исключила почти всё, что было легко исключить, — это полезный вид продвижения, даже если в тот момент он не ощущается как продвижение.

Днём специалист на Земле попросил её проследить кабель от панели до стены и проверить один маленький разъём за крышкой. Чтобы открыть крышку, ей понадобилось двадцать минут, потому что каждый винт нужно было поймать, прежде чем он уплывёт. За крышкой разъём выглядел в порядке. Она всё равно аккуратно прижала его на место, как говорилось в перечне. Специалист попросил её сказать несколько слов. Она посчитала от одного до десяти. Наступила пауза, а потом голос с Земли тепло сообщил, что шипение пропало.

Томас рассмеялся и сказал, что половина всей инженерии — это аккуратно прижимать вещи обратно на место. Аде сказал, что другая половина — верить своим приборам, когда они сообщают что-то странное. Нур записала результат в журнал, снова закрыла крышку и собрала винты из маленького мешочка, который привязала к рукаву.

Вечером, когда Нур рассказала Сами о шипении, он ответил из своего грузовика, стоявшего у погрузочной площадки. Он написал, что радио в его кабине каждую ночь шипит между двумя городками, в одном и том же месте, и что он перестал это замечать. Нур улыбнулась. Она знала историю о шипении, которое два инженера никак не могли перестать замечать, и о том, чем оно оказалось. Это была подходящая история для 57-й ночи.

Светящийся туман

В прошлую ночь мы прокрутили фильм о Вселенной назад. Если галактики разбегаются сегодня, то давным-давно всё было ближе друг к другу. А когда вещество и свет сжимают вместе, они становятся горячими. Леметр представлял себе «первичный атом». Сторонники стационарной Вселенной представляли себе Вселенную вовсе без начала. Фред Хойл, который был на второй стороне, дал первой идее её знаменитое название в радиобеседе. Но название — не свидетельство. История этой ночи — о свидетельстве, которое решило вопрос.

Представим себе молодую Вселенную через несколько сотен тысяч лет после начала. Она была гораздо горячее и плотнее, чем что-либо во Вселенной сегодня. Было так жарко, что атомы не могли удержаться вместе. Атом, как мы подробнее увидим в следующие ночи, — это крошечный центр, называемый ядром, вокруг которого находятся ещё более крошечные частицы, называемые электронами. В молодой Вселенной электроны не могли оставаться со своими ядрами. Каждый раз, когда электрон устраивался на месте, жар снова выбивал его на свободу.

Свободные электроны сильно влияют на свет. Они стоят у него на пути. Луч света в той ранней Вселенной не мог пройти далеко, не наткнувшись на электрон и не отправившись в новом направлении. Потом он натыкался на другой, и ещё на один. Свет был повсюду, но ни в каком направлении не мог идти по прямой. Вся Вселенная светилась, но не была прозрачной. Она была похожа на густой яркий туман.

Вы, наверное, видели нечто подобное туманным утром. Солнце уже встало, и воздух вокруг вас светлый. Но домов в конце улицы не видно, потому что их свет рассеивается по пути к вашим глазам. Молодая Вселенная была такой повсюду, в любом направлении. Если бы кто-то мог стоять внутри неё, он увидел бы только яркое ровное сияние, за которым ничего нет.

Потом Вселенная постепенно продолжала расширяться и остывать. Примерно через 380 тысяч лет после начала она остыла до температуры в несколько тысяч градусов. Это всё ещё очень горячо, примерно как поверхность некоторых холодных звёзд, но этого было достаточно для важной перемены. Теперь электроны могли устроиться вокруг ядер и остаться там. Образовались атомы, в основном атомы водорода и гелия.

Мгновение, когда туман рассеялся

Как только электроны оказались внутри атомов, они уже не так легко мешали свету. Внезапно свет смог свободно идти по прямым линиям. Туман рассеялся. Астрономы иногда сравнивают это мгновение с фонарём, который был внутри густого облака и вдруг оказался в чистом воздухе. Свет, высвободившийся в тот момент, отправился во всех направлениях через Вселенную. Часть его с тех пор так и путешествует, около 13,8 миллиарда лет, и часть его приходит на Землю сегодня ночью.

Когда этот свет отправился в путь, он был сиянием чего-то с температурой в несколько тысяч градусов. У света от такого горячего тела короткие волны, и часть его человеческим глазам показалась бы оранжевой или жёлтой. Но в ночь разбегающихся галактик мы видели, что само пространство растягивается уже миллиарды лет. Пока пространство растягивалось, вместе с ним растягивались и волны этого старого света. Они растянулись больше чем в тысячу раз. Сегодня эти волны — уже вовсе не видимый свет. Это гораздо более длинные волны того рода, который называют микроволнами.

Микроволны — это разновидность радиоволн с довольно короткими волнами. Это то же семейство волн, которым микроволновая печь разогревает еду, но старый свет Вселенной чрезвычайно слаб. Он не греет ничего настолько, чтобы вы могли это почувствовать. Его температура сегодня всего около 2,7 градуса выше абсолютного нуля. Абсолютный ноль — самая низкая возможная температура, около минус 273 градусов Цельсия, так что этот старый свет имеет температуру около минус 270 градусов.

Астрономы называют этот свет реликтовым излучением, или космическим микроволновым фоном. «Космический» означает, что он принадлежит всей Вселенной. «Микроволновый» говорит нам, какие это сегодня волны. «Фон» означает, что он позади всего остального, как задник сцены. В этой книге мы будем чаще всего называть его просто самым древним светом. Это самый древний свет, который мы вообще можем увидеть, потому что до него Вселенная была туманом, сквозь который свет не мог пройти.

В этом есть нечто замечательное. Самый древний свет приходит не от одной звезды и не от одной галактики. Он приходит не с одного направления. Он приходит со всех направлений сразу, со всего неба, днём и ночью. Пока вы читаете эту страницу, очень слабая его часть проходит через комнату вокруг вас. Это похоже на то, как если бы вы стояли внутри затихающего эха в большом зале, где звук идёт от всех стен сразу.

Люди, которые его нашли

Первые люди, всерьёз задумавшиеся об этом старом свете, работали над другим вопросом. В 1948 году физик Георгий Гамов и его младшие коллеги Ральф Альфер и Роберт Херман пытались понять, как в горячей, плотной ранней Вселенной могли образоваться самые лёгкие элементы. Это история нашей следующей ночи. Но, работая над ней, Альфер и Херман кое-что поняли. Если ранняя Вселенная действительно была такой горячей, слабое сияние этого жара должно и сегодня заполнять пространство. По их оценке, теперь это сияние должно быть всего на несколько градусов выше абсолютного нуля.

Задумайтесь на минуту о том, как работали эти три человека. У них не было телескопа, способного увидеть раннюю Вселенную, и не было компьютеров вроде тех, какими мы пользуемся сегодня. Они работали карандашами, бумагой, простыми счётными машинами и долгими разговорами. Гамов был известен своим озорным юмором и тем, что писал дружелюбные книги, объяснявшие физику обычным читателям. Альфер и Херман проделали значительную часть терпеливых, тщательных расчётов. Их оценка, около пяти градусов, была не совсем точной, но близкой к настоящему значению, — замечательный результат для первой попытки.

В то время их предсказание не привлекло особого внимания. Измерить такое слабое сияние казалось далеко за пределами возможностей тогдашних приборов, а многие учёные ещё вовсе не были убеждены, что у Вселенной было горячее начало. На несколько лет эта мысль была почти забыта. В науке так бывает чаще, чем думают. Хорошая идея может тихо ждать в старых статьях, пока не появится нужный прибор или нужный человек.

В начале 1960-х годов два радиоинженера начали работать с большой рупорной антенной, построенной для приёма сигналов, отражённых от спутников. Они хотели использовать её для тщательных измерений слабых радиоволн из космоса. Для этого им сначала нужно было разобраться в каждой крупице шума, которую производили сама антенна и её приёмник. Поэтому они измеряли, проверяли и измеряли снова. И обнаружили слабое шипение, которое не могли объяснить. Оно было одинаковым в любом направлении, куда они ни направляли антенну, в любое время суток и в любое время года.

Они сделали то, что делают хорошие инженеры. Они искали причину в собственном оборудовании. Проверили приёмник и соединения. Они даже обнаружили, что внутри рупора свила гнездо пара голубей и оставила помёт на его внутренней поверхности. Голубей увезли, а инженеры тщательно вычистили рупор. Шипение осталось. Оно шло не от антенны и не откуда-то поблизости. Оно шло с неба.

Примерно в то же время группа физиков неподалёку строила прибор, чтобы искать именно такое сияние, потому что они заново пришли к этой идее самостоятельно. Когда две группы узнали о работе друг друга, они поняли, что это за шипение. В 1965 году результаты были опубликованы. Инженеры нашли самый древний свет. Для многих астрономов это стало моментом, когда идея стационарной Вселенной лишилась своей главной опоры, потому что у Вселенной без горячего начала не было естественного способа заполнить всё пространство таким сиянием.

Карта крошечных различий

После 1965 года самый древний свет стал одним из самых изучаемых явлений на всём небе. Поначалу он казался совершенно ровным. Насколько кто-либо мог измерить, у него была одинаковая температура во всех направлениях. Это было своего рода загадкой. Если молодая Вселенная была совершенно однородной, как она потом стала комковатой, с галактиками здесь и пустым пространством там? Где-то должны были быть небольшие различия — если бы только кто-то смог их измерить.

Измерить их с Земли было очень трудно, потому что сам воздух немного светится в микроволнах, а вода в воздухе мешает. Поэтому учёные построили спутники, чтобы измерять самый древний свет из-за пределов воздуха. Спутник, запущенный в 1989 году, с большой тщательностью измерил это сияние, и в 1992 году его команда объявила, что различия найдены. Они были крошечными, около одной стотысячной. Одни участки неба были чуть-чуть теплее среднего, другие — чуть-чуть холоднее.

Спутник не делал снимок в одно мгновение, как фотоаппарат. Он снова и снова, годами, просматривал всё небо, и его команда складывала измерения, чтобы крошечные различия поднялись над шумом прибора. В этом смысле команда столкнулась с той же задачей, что и два инженера со своей рупорной антенной. Прежде чем доверять тому, что говорит небо, им нужно было разобраться в каждой крупице шума, которую производило их собственное оборудование.

Чтобы представить себе, насколько это мало, вообразите большое спокойное озеро. Если бы озеро было совершенно неподвижно, его поверхность была бы абсолютно ровной. Различия в одну стотысячную — это как рябь настолько мелкая, что её никогда не увидишь глазами. И всё же эта крошечная рябь имеет огромное значение. Там, где молодая Вселенная была чуть-чуть плотнее, тяготение притягивало немного сильнее. За сотни миллионов лет в этих местах собиралось всё больше и больше вещества. Крошечная рябь в самом древнем свете — это семена галактик, включая нашу собственную.

Более поздние спутники составляли всё более чёткие карты всего неба. Эти карты похожи на пёстрое яйцо, с пятнышками чуть более тёплого и чуть более холодного света. Изучая размеры и узоры этих пятен, астрономы могут измерить многое о Вселенной: сколько ей лет, сколько в ней обычного вещества и сколько той странной материи и энергии, с которыми мы встретимся в следующие ночи. Возраст около 13,8 миллиарда лет, которым пользуется эта книга, получен во многом по таким картам.

Так что самый древний свет — не только доказательство горячего начала. Это ещё и своего рода младенческая фотография Вселенной, снятая, когда ей было около 380 тысяч лет. По сравнению с её нынешним возрастом это как фотография человека, сделанная в первый день его жизни. Лицо ещё не лицо взрослого, но черты уже видны.

Сообщение для Сами

Перед сном Нур несколько минут провела у большого иллюминатора. Станция была над ночной стороной Земли, и небо над тонкой линией атмосферы было чёрным и полным звёзд. Она знала, что самый древний свет тоже там — между звёздами и позади них, невидимый для её глаз, но заполняющий все направления. Иллюминатор, станция и её собственные руки купались в нём, очень слабо.

Раньше вечером Аде показал Томасу и Нур на экране в камбузе одну из карт самого древнего света. Томас сказал, что она похожа на апельсиновую кожуру, если рассматривать её очень близко. Аде сказал, что каждая галактика, которую они видят из иллюминатора, выросла из небольших различий вроде этих пятнышек, увеличенных тяготением за миллиарды лет. После этого какое-то время никто не говорил ни слова, а на занятой станции это своего рода комплимент.

Она написала Сами: «Шипение в твоём радио — скорее всего, от ближней вышки или от двигателя. Но в радиошипении крошечная доля может приходить от самого древнего света во Вселенной. Так что в каком-то смысле ты, может быть, слушал слабый след начала во время своих ночных поездок». Сами ответил через час, в перерыве, что больше никогда не будет раздражаться на это шипение между двумя городками.

Возможно, после вашего рабочего дня в вашей жизни тоже есть такой звук: гудение холодильника, шум машин, шипение старого радиоприёмника. Большая его часть, конечно, исходит от обычных вещей поблизости. Но самый древний свет тоже здесь, каждый вечер, приходит со всех сторон. Он высвободился задолго до появления звёзд, задолго до Земли и всё это время был в пути, чтобы добраться до того места, где вы сейчас сидите.

Распространённые заблуждения

Многие думают, что самый древний свет приходит из одного далёкого места, где произошёл Большой взрыв. Так представить естественно, потому что мы обычно думаем о свете как о том, что исходит от лампы или звезды. Но самый древний свет приходит одинаково со всех сторон, потому что горячий туман заполнял всю Вселенную, а не одно место в ней. Куда бы мы ни посмотрели, мы видим вдали то место, где туман рассеялся для света, который доходит до нас сейчас. Астроном в очень далёкой галактике видел бы такое же сияние вокруг себя, приходящее из его собственных далёких окрестностей.

Многие также думают, что в достаточно большой телескоп можно было бы заглянуть за самый древний свет и увидеть само начало. С обычным светом и с любыми другими похожими на него волнами это невозможно. Примерно до 380 тысяч лет Вселенная была туманом, сквозь который свет не мог пройти, поэтому никакой свет из более ранних времён не может дойти до нас по прямой. Это как пытаться снаружи разглядеть, что внутри облака. О более ранних временах учёные узнают другими способами: по количеству самых лёгких элементов, о чём история нашей следующей ночи, и по узорам в самом древнем свете.

Наконец, некоторые слышали, что самый древний свет — «это всего лишь снег на экранах старых телевизоров». Правда чуть мягче. Старые телевизоры, если они не были настроены на канал, показывали движущийся узор из точек, который называли снегом. Большая часть этого снега шла от самого телевизора, от другой электрической техники и от ближних радиоисточников. Но небольшая его часть действительно приходила от самого древнего света. Так что каждый, кто когда-либо сидел перед ненастроенным телевизором, сам того не зная, смотрел на крошечное эхо молодой Вселенной. В следующую ночь мы отправимся ещё дальше назад, в первые несколько минут, и посмотрим, из чего состоял горячий туман.