Лиза Рэндалл - Достучаться до небес: Научный взгляд на устройство Вселенной

Теорию Большого взрыва подтвердили и еще два принципиально важных класса наблюдений, результаты которых прекрасно совпадают с ее предсказаниями. Один класс измерений основан одновременно на физике элементарных частиц и предсказаниях общей теории относительности и потому подтверждает то и другое одновременно; речь идет об измерении плотности различных элементов, таких как гелий и литий, в космосе. Относительное количество этих элементов, предсказанное теорией Большого взрыва, совпадает с реально измеренным. Это в некотором роде косвенное доказательство, так как для вычисления этих плотностей необходимы сложные и подробные расчеты, основанные на ядерной физике и космологии. Несмотря на это, случайное совпадение реально обнаруженного множества разных элементов с предсказанной маловероятно, и, скорее всего, это означает, что физики и астрономы на верном пути.

Когда американские ученые Роберт Уилсон и Арно Пензиас в 1964 г. случайно обнаружили фоновое микроволновое излучение с температурой 2,7 К, их открытие стало новым подтверждением теории Большого взрыва. Чтобы вы могли представить, что это за излучение, скажу, что ничего не может быть холоднее абсолютного нуля — нуля градусов по Кельвину. Фоновое излучение Вселенной теплее абсолютного нуля менее чем на три градуса.

Сотрудничество и приключения Роберта Уилсона и Арно Пензиаса (за которые они в 1978 г. были удостоены Нобелевской премии) — прекрасный пример того, как фундаментальная наука и технологии иногда объединяют усилия и достигают результата, которого никто не мог предугадать. В давние времена, когда фирма AT&T еще была в Америке телефонным монополистом, она сделала замечательную вещь — основала Лабораторию Белла, знаменитую Bell Labs, выдающийся исследовательский центр, где бок о бок проводятся фундаментальные и прикладные исследования.

В этой лаборатории работали и Роберт Уилсон — изобретатель всевозможных хитрых устройств, и Арно Пензиас — ученый. Оба они пользовались радиотелескопами и вместе работали над их усовершенствованием. Уилсон и Пензиас интересовались наукой и техникой, фирма AT&T, что понятно, интересовалась телекоммуникациями, поэтому радиоволны в небе представляли интерес для всех без исключения.

Преследуя конкретную радиоастрономическую цель, Уилсон и Пензиас обнаружили одну особенность, которую поначалу сочли просто необъяснимой помехой. Это был однородный фоновый шум, похожий на шум ненастроенного радиоприемника. Он не исходил от Солнца и не имел отношения к недавним ядерным испытаниям. Девять месяцев ученые пытались понять, что происходит, опробовав за это время все мыслимые и немыслимые объяснения (включая предположение о том, что антенны загрязнены голубиным пометом). Они проверили все, что пришло в голову, отчистили антенну от помета (или «белого диэлектрического вещества», как именовал его Пензиас) и даже перестреляли всех голубей в округе, но шум не уходил.

Уилсон рассказывал мне, что свое открытие они совершили в очень подходящее время. Сами они ничего не знали о Большом взрыве, но Роберт Дик и Джим Пиблз из Принстонского университета знали. Тамошние физики поняли, что одним из следствий теории Большого взрыва должно быть реликтовое микроволновое излучение. Они как раз готовили эксперимент, который должен был бы измерить это излучение, когда обнаружили, что дело уже сделано учеными из Лаборатории Белла, которые пока сами не поняли, что открыли. К счастью для Пензиаса и Уилсона, астроном из Массачусетского технологического института Берни Берк знал и о принстонских исследованиях, и об открытии Пензиаса и Уилсона. Он и довел дело до результата — «состыковал» все заинтересованные стороны.

Вообще, вся эта история — прекрасный пример науки в действии. Исследования проводились с конкретной научной целью, которая могла принести и какие‑то дополнительные бонусы — и технические, и научные. Астрономы не искали того, что нашли, но обладали высочайшей технической и научной квалификацией. Обнаружив что‑то неожиданное, они и не подумали просто отбросить неудобные данные. Их исследование привело к открытию, имевшему огромные последствия, а успеха они достигли потому, что кроме собственной локальной цели держали в голове и всю научную картину мира. Так случайное открытие ученых навсегда изменило космологическую науку.

Реликтовое космическое излучение оказалось полезнейшим инструментом — оно не только подтвердило теорию Большого взрыва, но и превратило космологию в точную науку. Космическое микроволновое фоновое излучение дало нам возможность совершенно по–новому увидеть прошлое Вселенной.

В прошлом астрономы наблюдали объекты в небе, пытались определить их возраст и восстановить их эволюционную историю. Сегодня при помощи реликтового излучения ученые могут заглянуть непосредственно в прошлое, в те времена, когда звезды и галактики еще не сформировались. Свет, который они наблюдают, был излучен очень давно — на ранней стадии эволюции Вселенной. Когда кванты микроволнового фона, которые мы регистрируем сегодня, были излучены, размер Вселенной составлял лишь тысячную долю от ее современного размера.

Первоначально во Вселенной были только всевозможные частицы — и заряженные, и незаряженные, но, после того как она достаточно остыла, а на это ушло примерно 400 ООО лет, заряженные частицы объединились в нейтральные атомы. После того как это произошло, свет перестал рассеиваться — как говорят физики, произошло отделение излучения от вещества. Таким образом, наблюдаемое сегодня реликтовое излучение доходит до наших наземных и спутниковых телескопов непосредственно из времени, отстоящего от момента рождения Вселенной на 400000 лет, — доходит неизменным и непрерывным. Фоновое излучение, открытое Пензиасом и Уилсоном, — это то самое излучение, которое присутствовало еще на ранних стадиях эволюции Вселенной, только «разбавленное» и остывшее в процессе ее расширения. Это излучение попало прямо в телескопы, где и было зарегистрировано, без всякого рассеяния на случайных заряженных частицах. Этот свет открывает для нас широкое окно в прошлое.

Спутник СОВЕ (Cosmic Microwave Background Explorer), запущенный в 1989 г. и проработавший в космосе четыре года, измерил реликтовое излучение с необычайной точностью, и ученые обнаружили, что их измерения согласуются с теоретическими предсказаниями с точностью до одной тысячной. Но СОВЕ измерил и кое‑что новое. Безусловно, самым интересным из его результатов стала легкая неоднородность — анизотропия распределения температуры излучения по небесной сфере. Вообще‑то Вселенная чрезвычайно однородна, но крохотные отклонения на уровне менее одной десятитысячной на раннем этапе ее развития позже увеличились и сыграли важную роль при формировании различных структур. Неоднородности возникли на крохотных длинах, но со временем увеличились до размеров, существенных для астрономических измерений и структур. Гравитация собрала воедино более плотные области, где неоднородности были особенно сильны, и сформировала из них массивные структуры, которые мы в настоящее время наблюдаем. Звезды, галактики и скопления галактик являются результатом возникших в начале времен крохотных квантово–механических возмущений и их дальнейшего развития под действием гравитационных сил.