Приямвада Натараджан - Карта Вселенной [Главные идеи, которые объясняют устройство космоса]

Открытие реликтового излучения является одним из тех случаев в истории астрофизики, когда можно легко заметить недовольство исследователей обстоятельствами или просто невезением. Действительно, Альфер и Герман, первыми предсказавшие существование реликтового излучения (несмотря на некоторые допущенные ошибки), после описанной истории чувствовали себя несправедливо обойденными. Они не получили никакого признания своих заслуг. Еще раз повторю, что их невольная и частичная ошибка состояла в том, что они приняли решение опубликовать работу в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences , куда астрономы и физики редко посылали для публикации свои статьи. Как можно было видеть на примере биографии Леметра, неудачный выбор малоизвестного журнала для публикации прорывного результата о расширении Вселенной препятствует его распространению и принятию. В наше время публикация результатов в журнале, пользующемся популярностью в астрономическом научном сообществе, является важным условием для восприятия новой идеи широкой общественностью. Несмотря на постоянное дробление науки на специализированные разделы, особым авторитетом пользуются материалы, публикуемые лишь в некоторых признанных изданиях. В любом случае Альфера и Германа сильно озадачил тот факт, что члены группы Дикке ничего не знали об их ранней работе. Выяснилось, что в свое время журнал Physical Review отказался принять к печати статью Пиблса с новыми расчетами, ссылаясь на то, что автор недостаточно информирован, так как он не цитировал эту раннюю работу. «Джим Пиблс знал о нашей работе, если только он не был невероятно тупым», — сказал Альфер. И далее отметил: «Пиблс получил от нас два отзыва о своей статье о фоновом излучении задолго до публикации Дикке — Пиблса — Ролла — Уилкинсона 1965 г.». Позднее выяснилось, что именно Альфер и Герман были теми рецензентами, которые отвергли предложенную Пиблсом статью. Что касается Дикке, то некоторой формой его извинения перед Альфером может служить тот факт, что его собственная работа была аналогичным образом отвергнута другими редакциями, и это было обычной практикой того времени. Такое объяснение Альфер посчитал недостаточным. Он полагал, что Дикке просто является «принстон-центричным» — то есть убежден, что «если что-то открыто не в Принстоне, то этого просто не существует». В качестве некоторой компенсации Пиблс и Уилкинсон опубликовали также статью в журнале Scientific American , в которой должным образом признавали раннюю теоретическую работу Гамова, Альфера и Германа, хотя, по мнению Пензиаса и Вильсона, она не давала еще достаточно оснований для экспериментальной проверки. Это оставило пару из Холмдела по-прежнему неудовлетворенной {14} . Конфликты и споры о приоритете публикаций и взаимном доверии в деле об открытии реликтового излучения нанесли много душевных ран трем первым основным участникам этой драматической истории (Гамову, Альферу и Герману). Попытки возмещения их потерь были предприняты лишь спустя десятилетия. Так, 27 июля 2005 г. президент США Джордж Буш наградил Альфера Национальной медалью за научные достижения, одной из высших наград для гражданских лиц. Награда имела формулировку «За беспримерную работу в области нуклеосинтеза, за предсказание расширения Вселенной с сохранением фонового излучения и за вклад в развитие модели Большого взрыва». Тем самым президент воздал должное заслугам Альфера. Впрочем, медаль он вручил его сыну, Виктору {15} , сам Альфер умер спустя несколько недель в возрасте 86 лет. Георгий Гамов умер в 1986 г., глубоко опечаленный тем, что его блестящие заслуги в исследовании ранней Вселенной остались неоцененными. В описанной выше истории открытия реликтового излучения Гамов является одним из самых трагических героев.

До обнаружения реликтового излучения физическое сообщество не принимало ни теории стационарной Вселенной, ни теории горячего Большого взрыва. В теории стационарного состояния Вселенной ее расширение компенсировалось необходимостью непрерывного создания вещества, так как лишь при этом условии Вселенная могла оставаться одинаково постоянной, без начала и без конца. Обе теории обладали своими преимуществами (и, соответственно, недостатками), и только открытие реликтового излучения позволило ученым вынести окончательную оценку. Теория Большого взрыва предсказывала наличие реликтового излучения, в то время как теория стационарной Вселенной не предсказывала, но и не отвергала возможность его существования, оставляя проблему нерешенной вплоть до возможного экспериментального подтверждения. Приблизительно в течение двух лет после открытия Пензиаса и Вильсона теория стационарной Вселенной впала в немилость. Хойл и некоторые другие ученые продолжали пытаться включить реликтовое излучение в улучшенные версии этой модели. Но все попытки провалились, поскольку само существование реликтового излучения было стержнем в системе доказательств, опровергавших теорию стационарной Вселенной.

Естественным продолжением открытия стало тщательное исследование реликтового излучения с целью выделить из полученных данных спектр излучения, изучить его и сравнить с предсказываемой теорией кривой излучения черного тела. Поскольку предполагалось, что реликтовое фоновое излучение чернотельно, форма кривой, описывающей распределение его полной энергии по всему диапазону длин волн, теоретически хорошо известна. Для проверки теории чернотельности требовалось провести независимые измерения для различных длин волн. Настало время выйти за рамки простого обнаружения и измерения одной точки в данных по температуре, но получить большее число экспериментальных данных с использованием более сложных и точных приборов. Поскольку сама идея о том, что реликтовое излучение является реликтом Большого взрыва со спектром черного тела, приобрела к этому времени общее признание, ученые приступили также к детальным теоретическим расчетам. Новые измерения надежно подтвердили гипотезу Большого взрыва и позволили глубже понять начальный период развития Вселенной. Общая энергия реликтового излучения превышает энергию излучения всех галактик и составляет около 99 % всего излучения, содержащегося во Вселенной.

Несмотря на успехи в моделировании ранней Вселенной, главный вопрос, поставленный с самого начала Гамовым — каким образом возникли тяжелые химические элементы, — пока остается без ответа. Сегодня мы уже понимаем, что плотный огненный шар, возникший в момент творения, то есть Большой взрыв, породивший «суп» из вещества и излучения, стал охлаждаться сразу после начала расширения Вселенной. В эту эпоху излучение доминировало над материей, то есть количество фотонов существенно превосходило число любых других частиц. Первыми из кварков сформировались протоны и нейтроны, а затем в течение трех первых минут из этих нейтронов и протонов стали образовываться ядра гелия, дейтерия и лития. Поскольку такое слияние (нуклеосинтез) требует очень высоких температур и плотности вещества (именно это обстоятельство создает одно из главных препятствий для реализации описанного процесса в лабораторных условиях), Вселенная очень быстро охладилась. Охлаждение должно сразу остановить синтез любых более тяжелых химических элементов, вследствие чего в первичной Вселенной никак не мог образоваться ни один из существующих в природе элементов тяжелее лития, седьмого элемента периодической таблицы. Похоже, именно в этом состояло упущение в расчетах Гамова, Альфера и Германа, так как тяжелые элементы природы формировались вовсе не на ранней стадии возникновения Вселенной, когда она выглядела подобно огненному шару, а гораздо позже, причем внутри звезд, природных ядерных реакторов.