Коллектив авторов - 100 великих научных открытий

Позже был представлен еще один вариант «холодной» теории, предусматривавший на старте холодную смесь электронов, протонов и нейтрино, образовавших водород, который уже в составе звезд превратился в гелий. Чтобы выяснить, какова из представленных версий ближе всего к истине, астрофизикам следовало поискать предсказанное Гамовым первородное (реликтовое) излучение. И в 1960-х его нашли, причем абсолютно случайно!

Реликтовое, или, как его еще называют, космическое микроволновое фоновое излучение, — это электромагнитные волны преимущественно радиодиапазона (длиной от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров), схожие по спектру с излучением абсолютно черного тела, охлажденного до трех кельвинов (‒270,15 °C). Высвобожденные в первые минуты жизни Вселенной, они поступают на нашу планету буквально отовсюду, тем не менее уловить их удалось лишь во второй половине ХХ века.

Итак, в 1960-е астрофизики приступили к поискам первородного излучения, чтобы либо подтвердить, либо опровергнуть теорию горячей Вселенной. Рассчитав все возможные параметры этого излучения, советские ученые показали, что, хоть оно и слабое, его можно зафиксировать: на этой длине волны конкурентов у него просто нет. Однако в научных кругах то ли не обратили внимания на данное исследование, то ли не приняли его всерьез.

Между тем еще в 1941 г. Эндрю Маккеллар (астроном из Канады) предположил существование в космосе неизвестного излучения температурой около ‒270,85 °C, которое вращает рассеянные в межзвездном веществе молекулы ядовитого газа циана. Именно при вращении эти молекулы поглощают часть видимого излучения звезды Дзета в созвездии Змееносца и некоторых других светил. Впоследствии выяснилось, что это и было реликтовое излучение, только в 1940-х об этом никто и подумать не мог.

В 1950-х молодой советский астроном Тигран Шмаонов впервые измерил простенькой рупорной антенной радиоизлучение с 32-сантиметровой волной. Антенна была недостаточно чувствительной для того, чтобы получить точные результаты, однако Шмаонов постарался учесть все сторонние помехи и определил температуру лучей в районе четырех кельвинов (это ‒269,15 °C, то есть на целый градус ниже реального значения). Кроме того, ученый сделал верный вывод о том, что излучение не слабеет и не увеличивает мощность со временем — оно распространяется без скачков интенсивности одинаково по всем направлениям. Подробности своих изысканий Шмаонов изложил в диссертации и опубликовал в известном научном журнале. Но увы. Его работа тоже осталась незамеченной.

Десять лет спустя за поиски радиоволн взялся принстонский физик Роберт Дикке (1916–1997), который верил, что в космосе должно было остаться излучение некогда горячей коллапсирующей Вселенной. (По мнению ученого, Вселенная не родилась с нуля — она существовала вечно, только сначала сжималась и разогревалась, пока температура ее вещества не достигла примерно десяти миллиардов градусов, а потом по каким-то непонятным причинам начала расширяться и остывать.) Для поиска таких волн Дикке хватило бы и небольшого приемника, ведь радиоизлучение поступает со всех сторон, так что ставить огромный рупор просто не имело смысла. И вот, когда коллеги Роберта — Джим Пиблс и Дэвид Уилкинсон — собственноручно водрузили антенну на крышу лаборатории, дело осталось за малым: зафиксировать звук, идущий из космоса, и официально заявить об открытии… Но Дикке опередили.

В 1963 г. двое других американских ученых — 27-летний Роберт Уилсон и 30-летний Арно Пензиас, трудившиеся в соседнем городе, в телефонной компании Александра Белла, решили понаблюдать за межзвездной средой Млечного Пути, улавливая исходящие от нее радиоволны с помощью шестиметровой трубки-приемника, предназначенной для связи с искусственным спутником. Теориями эволюции Вселенной Уилсон и Пензиас особо не интересовались, и поиски реликтового излучения отнюдь не были их целью.

Для начала, чтобы проверить степень помех от излучения земной поверхности и атмосферы, а также от самой тарелки и усилителей, ученые настроили аппаратуру на короткую волну — всего 7,35 см. Такие волны воспринимаются как очень слабое потрескивание, зато на их фоне хорошо различаются атмосферные шумы — тихие, если антенна направлена вверх, и более громкие, когда тарелка «смотрит» на горизонт. Ученые собирались просто измерить сторонние шумы и уже с их учетом перейти к исследованию космического излучения с большей длиной волны, но внезапно услышали от антенны странное оглушительное шипение, которое могло возникнуть только при излучении от чего-то очень холодного, остуженного до ‒267,85 °C (3,5 кельвина). Ученые повертели приемник — шипение звучало со всех сторон одинаково и затихать не собиралось. Позже выяснилось, что и днем, и ночью его мощность остается неизменной, и на нее не влияют ни дождь, ни ветер, ни жара, ни холод. Складывалось впечатление, будто излучение пришло не из родной галактики, а откуда-то издалека, из глубин Вселенной.

Немало удивленные, Уилсон и Пензиас стали проверять, все ли в порядке с их антенной, — и заметили там парочку обосновавшихся голубей. Птиц отвезли подальше от лаборатории и выпустили на волю, рупор очистили от всех следов их пребывания (поскольку «белый голубиный диэлектрик», по выражению Пензиаса, мог мешать прохождению тока в проводах, связывавших антенну и усилители), однако шум никуда не делся. В размышлениях, что бы это означало, Пензиас связался со своим знакомым из института в Массачусетсе — и услышал от него любопытную информацию об исследованиях Пиблса и Дикке. Тогда-то Пензиас и понял, что, возможно, они с Уилсоном обнаружили первородное излучение Вселенной, которое искали их принстонские коллеги.

После встречи обе группы ученых опубликовали статьи о своих открытиях: Уилсон и Пензиас описали замеченные ими реликтовые радиоволны (скромно названные «избыточной температурой шума»), а Дикке с сотрудниками объяснили существование этих волн с позиции гипотезы о раскаленной Вселенной.

Гипотеза была признана фактом в ходе дальнейших исследований радиоволн с небольшой длиной волны — от долей миллиметра до метра. Так и стало понятно, что Вселенная сразу после своего рождения была очень горячей. Более детальные сведения о ее материи в начале времен и о самом процессе ее появления ученые надеются получить, измеряя реликтовое излучение на Земле, в верхних слоях атмосферы и в космосе.

Фраза «теория Большого взрыва» знакома всем, отчасти благодаря одноименному телесериалу и саундтреку к нему, где эта самая теория была изложена в двух словах. Кто же первым высказал мысль о том, что к появлению нашей Вселенной вместе со всеми ее планетами, звездами, астероидами и туманностями привел случайный энергетический всплеск? Оказывается, автором данной идеи был… католический священник, а по совместительству астроном и математик Жорж Леметр (1894–1966). Этот молодой бельгиец был хорошо знаком не только с теорией относительности Эйнштейна, но и с уравнениями русского космолога Александра Фридмана, который на базе эйнштейновских формул доказал, что Вселенная расширяется.