К концу второго периода, то есть через 5 минут после Большого Взрыва, расширяющееся вещество состоит из ядер атома водорода — 70 % и ядер гелия — 30 %.
Был еще один момент, особый в протекании физических процессов в расширяющейся Вселенной после Большого Взрыва. Электроны и позитроны, рождаемые при высоких температурах в результате столкновения высокоэнергичных частиц, перестали создаваться, так как температура упала до нескольких миллиардов градусов. Энергии сталкивающихся частиц стало недостаточно для их образования. Имеющиеся электроны и позитроны аннигилируют, и при этом образуются фотоны. Таким образом, число фотонов увеличивается. Через какое-то время процесс аннигиляции заканчивается. Так, к концу второго периода в 5 минут заканчиваются процессы в горячей ранней Вселенной. Температура становится ниже одного миллиарда градусов. Вселенная перестает быть горячей. Поэтому наступает период совсем других процессов, который длится триста тысяч лет.
В это время еще нет атомов. Вещество Вселенной представляет собой плазму, то есть одни голые ядра без орбитальных электронов. Эта плазма «нашпигована» фотонами. Поэтому ее называют фотонной плазмой. Она является непрозрачной для фотонов. Свет своим давлением только несколько ее раскачивает, образуя «фотонный звук». Главным дирижером всего происходящего в расширяющейся Вселенной во все три периода является температура. Вселенная не только расширяется, но и одновременно (а точнее, поэтому) охлаждается. Когда температура падает до четырех тысяч градусов, наступает очередной скачок в характере процессов: начинают образовываться нейтральные атомы. Плазма перестает быть полностью ионизованной. Число нейтральных атомов увеличивается. Они образуются в результате обрастания имеющихся в плазме ядер водорода и гелия электронами. Так появляются в расширяющейся Вселенной нейтральный водород и гелий. По мере того как плазма стала превращаться в нейтральный газ, она становилась прозрачной для фотонов. Именно в этот момент, спустя триста тысяч лет после Большого Взрыва, фотоны вырвались из столь длительного плена (названного эрой фотонной плазмы) и устремились в самые удаленные уголки Вселенной. Эти качественные изменения имели далеко идущие последствия. Главное из них, видимо, то, что однородная до этого плазма, превращенная теперь в нейтральный газ, получила возможность собираться в комки. А это первый шаг к образованию галактик и вообще всех небесных тел. Почему это не могло происходить в плазме? Потому, что образованный комок плазмы запирал внутри себя фотоны, которые оказывали на него изнутри огромное давление и разбивали его. Комок не рос дальше, а, наоборот, разрушался. Плазма снова становилась однородной. Но когда фотоны, как пар из лопнувшего шара, были выпущены, ничто не препятствовало нейтральному веществу собираться в комки. Далее надо бы рассмотреть, как все это происходило. Но у читателя возникло много вопросов по тому, что уже было сказано. Поэтому мы вернемся к описанному периоду жизни Вселенной и сделаем необходимые пояснения, а после этого продолжим рассказ о том, как образовались галактики, скопления галактик, звезды и планеты.
Прежде всего возникает естественный вопрос, откуда мы знаем, что Вселенная расширяется. Это отнюдь не очевидно. Наоборот, во все эпохи считалось, что Вселенная является стационарной, то есть один раз запущенной, как часы, и важно было только выяснить, как устроен механизм этих часов. Но оказалось, что механизм Вселенной меняется со временем. Вселенная развивается, эволюционирует, то есть является нестационарной. Первым, кому это пришло в голову, был советский физик А. Фридман, работавший в 1920-е годы в Петрограде. Он строго математически решал уравнения теории тяготения А. Эйнштейна и установил, что Вселенная не может быть стационарной, она должна непрерывно меняться, эволюционировать. Если принять ее стационарность, то под действием сил притяжения она должна постепенно сжиматься. Сжатию под действием сил тяготения могут препятствовать силы, возникающие за счет круговых движений тел по своим орбитам, как это имеет место в Солнечной системе. В эллиптических галактиках вступает в силу другое противодействие — движение тел по очень вытянутым орбитам. Что касается всей Вселенной, то ни то, ни другое объяснение невозможно, так как для уравновешивания действия сил тяготения пришлось бы разгонять ее до скоростей, превышающих скорость света. А это законами физики запрещено. Получается, что силы тяготения во Вселенной уравновесить нечем.
А. Эйнштейн также занимался этой проблемой и нашел выход в том, что модифицировал уравнения теории тяготения (благо, она была им же создана) таким образом, что силы притяжения уравновешивались некими введенными им силами отталкивания, которые должны, по его предположению, действовать между всеми телами во Вселенной (наряду с силами притяжения). Так он несколько незаконно получил статистические решения, описывающие стационарную Вселенную. На опубликованную в конце июня 1922 года в немецком «Физическом журнале» работу Фридмана он опубликовал там же ответ, в котором указал, что он нашел в расчетах А. Фридмана ошибку, а правильные решения дают стационарную Вселенную. Только почти через год (в мае 1923 года) А. Эйнштейна удалось убедить в правоте А. Фридмана, и он публично признал это.
Что же следовало из решения А. Фридмана? Вселенная должна или расширяться, или сжиматься, или же пульсировать. Теперь дело стало за доказательствами, за фактами, за экспериментом. Первыми доказательствами могли служить данные измерений американского астрофизика В. Слайфера, который показал, что большинство галактик удаляется от нас с огромной скоростью. Принцип этих измерений прост. Если движущееся мимо нас тело (например, паровоз) издает звук, то при приближении источника звука к нам частота его колебаний увеличивается (он становится более высоким), а при удалении — уменьшается (звук становится более низким). Это и есть эффект Доплера. То же самое происходит и со светом (а вообще с любыми волнами, в том числе электромагнитными, включая радиоволны, рентген, гамма-излучение и т. д.): при приближении источника света его частота увеличивается, он смещается в сторону голубого цвета, а при удалении свет краснеет. Оказалось, что свет галактик краснеет. Значит, источники света удаляются. Надо иметь в виду, что по эффекту Доплера можно определить только скорость вдоль линии, соединяющей нас с источником света (или звука), то есть по лучу. Поэтому эти скорости и были названы «лучевыми». Но для получения полной картины расширения Вселенной этого мало. Надо знать истинные расстояния до излучающих тел. Этот вопрос решался на основании использования следующего физического закона. Если знать истинную светимость свечи (любого источника света), то при удалении ее на определенное расстояние ее видимый блеск уменьшится как квадрат этого расстояния. Значит, зная светимость источника и его видимый блеск, можно определить расстояние до него. Этот метод так и назван — методом стандартной свечи.
К «стандартной свече» выдвигаются определенные требования. Во-первых, чтобы она не была слабой, иначе мы ее видимого блеска и вовсе не заметим. Во-вторых, чтобы нам была известна ее истинная светимость. Исходя из этих требований вначале использовали переменные звезды цефеиды, которые в тысячу раз ярче Солнца. С помощью цефеид можно промерить Вселенную на расстояние до 15 миллионов световых лет. Но это расстояние недостаточное. На таком расстоянии находятся только ближайшие галактики. Более мощными «свечами» являются ярчайшие шаровые скопления звезд, которые находятся вокруг каждой галактики. Если из всех скоплений выбирать только ярчайшие, то будет обеспечена стандартность свечи, поскольку они для всех галактик имеют одинаковую светимость. С помощью шаровых скоплений можно заглянуть во Вселенную вплоть до шестидесяти миллионов световых лет, то есть до ближайших скоплений галактик. Была открыта и более яркая свеча. Ею могут служить ярчайшие галактики, которые имеют одинаковую светимость. Они позволяют измерить расстояние в миллиарды световых лет. Таким образом измеряют скорости небесных объектов и расстояния до них.