Александр Шаров - Человек, открывший взрыв Вселенной. Жизнь и труд Эдвина Хаббла

Летом 1965 г. в «Астрофизикл джорнэл» были опубликованы работы Пензиаса и Вилсона об открытии реликтового излучения и Дикке с коллегами — об его объяснении теорией горячей Вселенной. Первые наблюдения показали, что температура реликтового излучения составляет около 3 Кельвинов.

В последующие годы многочисленные измерения были проведены на различных длинах волн от десятков сантиметров до доли миллиметра.

Наблюдения показали, что спектр реликтового излучения соответствует формуле Планка, как это и должно быть для излучения с определенной температурой. Подтвердилось, что эта температура примерно равна 3 Кельвинам.

Так случайно было сделано замечательное открытие нашего века, доказывающее, что Вселенная в начале расширения была горячей. За это открытие, явившееся существенным развитием дела, начатого Хабблом, А. Пензиасу и Р. Вилсону и была присуждена в 1978 г. Нобелевская премия по физике.

Обратимся теперь к проблеме, относящейся к истории науки. В своей книге «Первые три минуты» известны. американский физик С. Вайнберг пишет следующее «Я хочу попытаться разрешить здесь историческую проблему, которая в равной степени представляется мне загадочной и поразительной. Обнаружение в 1965 г. фон космического микроволнового излучения было одним и самых важных научных открытий двадцатого века. Почему оно произошло случайно? Или, другими словам! почему не было систематических поисков этого излучения задолго до 1965 г.?»

Может все дело в том, что тогда не было достаточно чувствительных радиотелескопов, способных его обнаружить? Мы увидим далее, что это, по-видимому, не та! Такого же мнения придерживается и С. Вайнбер. Но дело даже не в этом.

В истории физики много примеров, когда предсказание нового явления делалось задолго до появления технических возможностей его обнаружения. И тем не менее, если предсказание было обоснованным и важный физики всегда о нем .помнили. Когда появлялись возможности — предсказание проверялось. Вайнберг приводи пример предсказания в тридцатые годы антипротона — античастицы ядра атома водорода. Тогда не было возможностей обнаружить его в эксперименте. Но, двадцать лет спустя, когда соответствующие возможности появились, в Беркли был построен специальный ускоритель для проверки этого предсказания. Однако, до середин! шестидесятых годов радиоастрономы даже не знали реликтовом излучении и о возможности его обнаружения.

Почему так получилось? С. Вайнберг называет три причины. Первая — это то, что теория горячей Вселенной создавалась Гамовым и его сотрудниками для объяснения распространенности в природе всех химических элементов их синтезом в самом начале расширения Вселенной. Это оказалось неверным. Как мы уже говорили -тяжелые элементы синтезированы в звездах. Только самые легкие элементы ведут свое происхождение с первых мгновений расширения. Были в первых вариантах теории и другие некорректности. Потом все это было исправлено, но в конце сороковых и в пятидесятые годы неточности подрывали доверие к теории в целом.

Вторая причина — плохая связь между теоретиками и экспериментаторами. Первые не представляли, может ли реликтовое излучение быть обнаружено с помощью имеющихся наблюдательных средств, вторые — не слышали о том, что такое излучение следует искать.

Наконец, третья причина психологическая. Физикам я астрофизикам было очень трудно поверить, что расчеты, относящиеся к первым минутам с начала расширения Вселенной действительно соответствуют истине. Уж очень велик был контраст между промежутками времени — несколько первых минут и пятнадцать миллиардов лет, отделяющие ту эпоху от нашей.

Еще одну причину, на наш взгляд самую важную, указывает А. Пензиас в своей лекции, прочитанной при вручении Нобелевской премии. Дело в том, что в первых работах Гамова и его сотрудников, и в последующих работах говорилось о реликтовом излучении, но не было указано, что его можно хотя бы в принципе обнаружить. Более того, Гамов и его коллеги, по-видимому, думали, что это сделать нельзя в принципе! Пензиас говорил: «Что же касается обнаружения реликтового излучения, то, по-видимому, они считали, что в первую очередь это излучение проявит себя как увеличение плотности энергии... Этот вклад в приходящий на Землю общий поток энергии должен быть замаскирован космическими лучами и суммарным оптическим излучением звезд. Обе эти составляющие имеют сравнимые плотности энергии. Мнение о том, что действия трех составляющих с приблизительно равными энергиями нельзя разделить, можно найти в письме Гамова, направленном им Альферу в 1948 г. (не опубликовано; любезно предоставлено одному из авторов (И. Н.) Р. Альфером): «Температура космического пространства, равная 5 К, объясняется современным излучением звезд (С-циклы). Единственно, что мы можем сказать,—это, что оставшаяся от исходного тепла Вселенной температура не выше 5 К». Они, по-видимому, не осознавали того, что своеобразные спектральные характеристики реликтового излучения должны выделять его среди других эффектов.

В начале шестидесятых годов А. Г. Дорошкевич и один из авторов книги (И. Н.) опубликовали работу, в которой показали, что несмотря на то, что общее количество энергии в реликтовом излучении сравнимо с энергией света от галактик (с учетом их эволюции и расширения Вселенной), но реликтовое излучение сосредоточено в области сантиметровых и миллиметровых радиоволн, где мало излучают как галактики, так и обычные радиоисточники. Поэтому его и можно наблюдать!

Вот, что говорит А. Пензиас в своей нобелевской лекции: «Первое опубликованное признание реликтового излучения в качестве обнаружимого явления в радиодиапазоне появилось весной 1964 г. в краткой статье А.Г. Дорошкевича и И.Д. Новикова, озаглавленной «Средняя плотность излучения в Метагалактике и некоторые вопросы релятивистской космологии». Хотя английский перевод появился в том же году, но несколько позже, в широко известном журнале «Советская физика — Доклады», статья, по-видимому, не привлекла к себе внимания других специалистов в этой области. В этой замечательной статье не только выведен спектр реликтового излучения как чернотельного волнового явления, но также отчетливо сконцентрировано внимание на двадцатифутовом рупорном рефлекторе лаборатории «Белл» в Кроуфорд Хилл, как на наиболее подходящем инструменте для его обнаружения!»

Эта статья осталась незамеченной ни теоретиками, ни наблюдателями до открытия реликтового излучения, она не привела к целенаправленным его поискам.

Интересно, что реликтовое излучение могло быть открыто еще в 1941 г.! В это время канадский астроном Э. Мак-Келлар анализировал линии поглощения, вызываемые в спектре звезды ζ Змееносца межзвездными молекулами циана. Он пришел к выводу, что эти линии в видимой области спектра могут возникать только при поглощении света вращающимися молекулами циана. Причем вращение молекул должно возбуждаться излучением с температурой около 2,3 К. Ни сам Мак-Келлар, ни кто другой, конечно, не подумали тогда о возможности того, что возбуждение вращательных уровней молекул вызывается реликтовым излучением. Да, и сама теория горячей Вселенной тогда еще не была создана!