Химеры космоса

ХИМЕРЫ КОСМОСА

Весть о рождении Вселенной

Мы подошли к моменту истории, когда стало возможно провести уникальный, неслыханный по своей дерзости и отваге мысленный опыт. Опыт, которому нет аналога в истории человеческой мысли. Опыт, который символизирует неограниченные возможности человеческого разума. Опыт, который легко можно было бы счесть цирковым номером, обманом ловкого иллюзиониста, если бы этот мысленный эксперимент в каждой детали, в каждой мелочи не был исчерпывающе аргументирован.

В этом эксперименте, как в фокусе, скрестились все лучи человеческих знаний в самых различных областях: в учении о движении, об электрических и магнитных явлениях, все откровения квантовой теории материи и парадоксальные утверждения теории относительности. Оказались мобилизованы все наши знания о противоречивой фактуре элементарных частиц, законах их взаимодействий. Все слилось в едином интеллектуальном напряжении — и человек мысленным взором проник на край бытия, представил и рассчитал до мгновения акт рождения мира.

Современный взгляд на происхождение Вселенной разрабатывали ученые разных стран: советский физик-теоретик академик Зельдович, ученые Хойл и Тайлер из Великобритании и другие. Первый решающий шаг сделали Гамов, Альфер и Херман в США. Они набросали исходный вариант сценария развития Вселенной, в начале которого все вещество, вся энергия были сосредоточены в очень малом объеме. Все началось с Большого взрыва, в ходе которого сверхплотная и сверхгорячая материя начала расширяться, увлекая с собой пространство. Они же предсказали существование древнего свидетеля первых мгновений творения мира. Этот свидетель — реликтовое излучение (relictum, латинское — остаток), которое, сохранившись от Большого взрыва, должно равномерно пронизывать космос. Как это, к сожалению, бывает в науке, никто не обратил внимания на их предсказание.

Можно представить себе нетерпение читателя: обнаружен ли этот свидетель? Подтвердил ли он фантастические домыслы физиков?

Тут в наше повествование вторгаются радиоастрономы со своими проблемами, которые, казалось бы, не имели никакого отношения к проблемам теоретической физики, но логика науки диктует свои законы…

В 1965 году радиоастрономические наблюдения позволили Пензиасу и Вилсону открыть удивительное излучение, приходящее к Земле со всех сторон с одинаковой интенсивностью. Задачей исследователей было изучение шумов, приходящих из космоса в диапазоне сантиметровых волн, избранном для создания систем связи при помощи искусственных спутников Земли. Нужно было узнать характер ожидаемых шумов, распределение их источников по небосводу, интенсивность. Одновременно проводилось изучение свойств большой рупорной антенны, при помощи которой предполагалось проводить радиоастрономические исследования на волне 21 см — на этой волне «поют» атомы космического водорода. Вначале исследования проводились на волне 7,35 см.

Радиоастрономы в то время уже привыкли оценивать величину шумов своих приемников и антенн при помощи эквивалентной температуры идеального сопротивления, нагревание которого порождает такой же шум. Так в науку вошел термин «шумовая температура». По этой оценке шумовая температура их антенны составила всего 0,9К (градусов Кельвина). Шумовое излучение атмосферы добавляло на волне 7,35 см еще 2,3К.

Мы акцентируем внимание читателя на этих цифрах, так как именно из-за совсем крошечной неувязки в числах, показавшейся сначала ошибкой, было сделано одно из самых важных открытий всех времен. Измерения давали 6,7К. Избыток, величиной в 3,5 К, был достоверно установлен с погрешностью не более ±1,0 К. Для того чтобы обеспечить такую точность, пришлось выселить из антенны пару гнездившихся в ней птиц и тщательно очистить от их помета внутреннюю поверхность антенны. Избыток шума оставался постоянным независимо от времени суток и не претерпевал сезонных изменений. В течение всех наблюдений антенна оставалась постоянно направленной в зенит так, что, вращаясь вместе с Землей, она постепенно «прослушивала» обширную часть небесного свода. Создавалось впечатление, что антенна и сама Земля купаются в потоке радиоизлучения, наполняющем Вселенную. Потоке, не имевшем определенного источника, приходящем и с тех направлений, где ни оптические, ни радиотелескопы не фиксировали никаких небесных объектов. Казалось, что излучает само пространство, независимо от наличия в нем каких-либо тел.

Подобного еще не наблюдали ни в одном из освоенных участков диапазона электромагнитных волн. Вспомним, что одно из возражений против бесконечности размеров и против стационарности Вселенной, содержащей бесконечное количество звезд, сводилось к тому, что в этом случае небосвод должен был бы казаться светящимся суммарным светом этих бесчисленных звезд. Это возражение названо парадоксом Ольбертса, по имени астронома, впервые задумавшегося над тем, почему яркость небосвода и днем и ночью не равна яркости солнечного диска.

Убедившись в том, что они действительно обнаружили излучение, приходящее из космоса и не изменяющее своих свойств ни со временем, ни с направлением на небосводе, и не находя никакого объяснения этому феномену, Пензиас и Вилсон обратились к астрофизикам. При определении диагноза сработала цепочка совпадений, которые некоторые исследователи склонны отнести за счет случая, а другие считают закономерным результатом разветвленных связей, свойственных современной науке. Подобные связи нередко называют «незримыми колледжами», подчеркивая этим сотрудничество ученых, работающих в различных организациях, а иногда на различных континентах.

Началось с того, что Пензиас, сотрудник фирмы Белл, позвонил по телефону знакомому радиоастроному Бурку, работавшему в Массачусетском технологическом институте, по вопросу, не связанному с шумами антенны. Но Бурк знал о работе Пензиаса и спросил его о том, как движутся измерения шумов. Ответ гласил: хорошо, но есть некоторые неясности — избыточный шум, источник которого неизвестен. Тогда Бурк рассказал о том, что его коллега Туркер из института Карнеги слышал доклад молодого теоретика из Принстона Пиблса о том, что должно существовать шумовое излучение, оставшееся от ранней эпохи развития Вселенной, что оно должно иметь температуру около 10 К и приходить равномерно со всех сторон. Бурк сказал, что принстонские теоретики могут прояснить сомнения Пензиаса и Вилсона. Пензиас позвонил в Принстон физику Дике. Оказалось, что незадолго до того Пиблс, один из сотрудников Дике, исходя из теоретического исследования следствий нестационарного решения уравнений общей теории относительности, полученного еще в 1922 году Фридманом, пришел к выводу о том, что на ранней стадии своего развития Вселенная должна была быть заполнена электромагнитным излучением. Это излучение должно было находиться в равновесии с веществом и препятствовать синтезу гелия и более тяжелых ядер из первоначальной массы протонов и нейтронов. Ведь и сейчас протоны составляют примерно три четверти всего вещества Вселенной. Теория предсказывала, что спектр этого излучения должен быть спектром излучения черного тела, а его температура должна падать по мере расширения Вселенной, предсказанного Фридманом. Дике предложил своим сотрудникам Роллу и Уилкинсону проверить расчеты Пиблса опытным путем. Они начали готовить антенну и приемник, предназначенные для работы на волне 3,2 см. Но звонок Пензиаса известил их о том, что они опоздали. Открытие уже свершилось.

После тщательного сопоставления опыта и теории и уточненных расчетов в Астрофизический журнал были направлены две статьи. Статья Дике, Пиблса, Ролла и Уил-кинсона под названием «Излучение черного тела из космоса» напечатана в 1965 году на странице 414 этого журнала. На странице 419 того же номера можно увидеть статью Пензиаса и Вилсона «Измерение избыточной температуры антенны на 4080 МГц».

В 1978 году, когда выдающееся значение наблюдений Пензиаса и Вилсона, подтвердивших реальность гипотезы Большого взрыва, вытекающей из решения Фридмана, было в достаточной мере осознано, они стали лауреатами Нобелевской премии. Но в 1965 году еще предстояло убедиться в том, что спектр излучения, приходящего со всех сторон на Землю, действительно совпадает со спектром черного тела. Совпадение измеренной температуры с расчетной на одной длине волны казалось недостаточным. Нужно было повторить измерение еще по крайней мере на одной длине волны. Ролл и Уилкинсон сделали это. Результат, полученный на волне 3,2 см, совпал с тем, что должно быть для черного тела, нагретого примерно до 3 К. За истекшее время диапазон длин волн, использованных для измерений этого излучения, был существенно расширен от «средних» радиоволн с длиной волны около 300 м до гамма-лучей, хотя этот обширный диапазон изучен далеко не сплошь. Но и тех наблюдений, которые уже получены, достаточно, чтобы подтвердить наличие изотропного излучения, соответствующего излучению черного тела, нагретого до трех градусов выше абсолютного нуля.

Гипотеза Большого взрыва, как уже сказано, является следствием нестационарного решения уравнений общей теории относительности, полученного Фридманом. В соответствии с его решением Вселенная непрерывно расширяется, причем скорость увеличения взаимных расстоянии космических объектов тем больше, чем дальше объекты находятся один от другого. Начальная стадия процесса соответствует огромной концентрации материи и излучения в малом объеме. Такое состояние неустойчиво, и Вселенная вышла из него взрывоподобно.

Полная теория эволюции Вселенной теперь разработана достаточно детально для периода времени от 0,01 секунды после Большого взрыва до наших дней и на многие миллиарды лет вперед. Она хорошо обоснована астрономическими и радиоастрономическими наблюдениями, подтвердившими огромные скорости разбегания галактик.