Майкл Уайт - Стивен Хокинг. Жизнь среди звезд

Неслучайно Джон Уилер ввел в обращение термин «черная дыра» всего через год после открытия пульсаров, поскольку, когда ученые поняли, что пульсары – это и есть нейтронные звезды, это вызвало вспышку интереса к ОТО и ее еще более экзотическим прогнозам. Подогрело этот интерес и другое открытие, сделанное при помощи радиотелескопов, которое подтвердило реальность Большого Взрыва как такового.

Когда Вселенная была компактнее, она была и горячее, в точности как воздух в велосипедном насосе нагревается от сжатия. Большой Взрыв был огненным шаром из излучения, в котором роль вещества была незначительной. Но Вселенная расширялась и остывала, и излучение угасло, а на первый план вышло вещество в виде звезд и галактик.

Все это астрономы знали и в 1940-е, и в 1950-е годы. Георгий Гамов с коллегами даже взяли на себя труд рассчитать, до какой температуры остыло бы остаточное излучение к нашему времени. В 1948 году они получили величину около 5 К (то есть минус 268 °C). К 1952 году Гамов был склонен считать, что это заниженная величина, и в своей книге «The Creation of the Universe» («Сотворение Вселенной») писал, что температура должна быть где-то в пределах 50 К. Но и 5 К, и 50 К – это очень низкая температура, и в 1950-е никто всерьез не задумывался, как зарегистрировать этот отзвук сотворения мира, холодное море фонового излучения, заполняющее всю Вселенную и оставшееся после Большого Взрыва.

Однако к началу 1960-х нескольким астрономам пришло в голову, что измерить фоновое излучение и тем самым проверить модель Большого Взрыва в принципе возможно. В частности, понять, как и почему остыло излучение, можно на основании красного смещения. Излучение, заполнившее Вселенную при Большом Взрыве, до сих пор ее заполняет, но поскольку пространство с тех пор расширилось, волны, составляющие это излучение, вытянулись соответствующим образом, чтобы заполнить доступное пространство. Это значит, что энергия, которая изначально принимала форму рентгеновских и гамма-лучей, теперь существует в виде микроволнового излучения с длиной волны около одного миллиметра. Именно такие радиоволны применяются в некоторых коммуникационных линиях и в радаре. Когда развилась технология радаров и радиокоммуникации, а следовательно, стремительно набрала силу радиоастрономия, исследователи в СССР и США поняли, что фоновое излучение, предсказанное моделью Большого Взрыва, можно зарегистрировать, и принялись создавать и строить предназначенные для этого радиотелескопы.

Однако они опоздали. Американскую рабочую группу, которая базировалась в Принстонском университете, возглавлял Роберт Дикке, который во время Второй мировой войны работал над радарами. В начале 1960-х он поручил группе молодых ученых построить детектор фонового микроволнового излучения на основе усовершенствованной версии оборудования, в создании которого он участвовал во время войны. К 1965 году работа шла полным ходом, и тут Дикке позвонил молодой исследователь из Лабораторий Белла, расположенных всего в 30 милях от Принстона. Звонившего звали Арно Пензиас, и он просил у Дикке совета по поводу странной радиоинтерференции, которую Пензиас и его коллега Роберт Уилсон наблюдали на своем радиотелескопе примерно с лета 1964 года.

На самом деле Пензиас и Уилсон работали на радиотелескопе, переделанном из антенны, предназначенной для первых спутников связи. Они обнаружили, что стоило им нацелить телескоп в небо, как он ловил сигнал, соответствующий микроволновому излучению с температурой чуть ниже 3 К. Перепробовав все что можно, чтобы понять, не неисправен ли телескоп (в том числе очистив антенну от голубиного помета на случай, если это он вызывает интерференцию), ученые сдались и позвонили Дикке, специалисту по микроволновому излучению, чтобы спросить, нет ли у него каких-то соображений по поводу происходящего.

Вскоре Дикке понял, что Пензиас и Уилсон и в самом деле зарегистрировали микроволновое излучение, оставшееся после Большого Взрыва. Принстонский детектор, который наспех достроили вскоре после этого, подтвердил открытие, и вскоре к исследованиям подключились радиоастрономы всего мира. Теперь мы знаем, что Вселенная и в самом деле заполнена тихим шипением микроволнового излучения с длиной волны около одного миллиметра, что соответствует температуре 2,73 K.

Это открытие показало космологам, что модель Большого Взрыва верна: теперь это была не просто модель, а точное описание реальной Вселенной, в которой мы живем. Во-первых, существование фонового излучения показало, что Большой Взрыв и вправду был, далее, при помощи точного измерения температуры этого излучения на сегодняшний день удалось рассчитать динамику температур в обратном направлении и вычислить точную температуру самого Большого Взрыва. В главе 5 мы немного опередили события, когда описывали первые несколько минут жизни Вселенной: точность этого описания, соответствующего картине мира середины 1970-х, отчасти зависит от наших современных познаний о точной температуре фонового излучения. Однако у этого описания первых этапов жизни Вселенной есть еще одна важная черта. «Первые три минуты» написал не космолог и даже не астроном, а нобелевский лауреат по физике, специалист по слабым и электромагнитным взаимодействиям между элементарными частицами Стивен Вайнберг.

До 1965 года космология была тихой научной гаванью, своего рода резервацией, где горстка математиков забавлялась со своими моделями, никому не досаждая. Сегодня, четверть века спустя, изучение Большого Взрыва стало главной задачей физики, и космология Большого Взрыва, как читают ученые, дает ключ к пониманию фундаментальных законов и сил, на которых зиждется физический мир. Именно благодаря измерению фонового космического излучения мы точно знаем, как синтезировались в ходе Большого Взрыва атомные ядра. И именно первые расчеты подобного рода, сделанные сразу после открытия фонового излучения, убедили многих физиков – не только космологов, – что к модели горячего Большого Взрыва как к описанию Вселенной следует относиться со всей серьезностью.

Эти вычисления вовсе не были скороспелыми «находками» по следам открытия фонового излучения, они стали кульминацией десятилетней работы. В 1950-е группа британских и американских исследователей, вдохновленные трудами Фреда Хойла, выяснили, как синтезируются в звездах все химические элементы сложнее гелия. Это был настоящий триумф научной мысли. В сущности, процесс состоит в том, что ядра гелия-4 соединяются и создают более сложные ядра. Затем некоторые сложные ядра либо испускают, либо поглощают одинокий протон, и таким образом создаются ядра других элементов.