Брайан Китинг - Гонка за Нобелем. История о космологии, амбициях и высшей научной награде

Первый удар исходил от самих авторов модели. В опубликованной осенью 1964 года статье «Загадка космического изобилия гелия» Фред Хойл и его коллега Роджер Тайлер объявили об удивительном открытии {14} . Изучив множество астрофизических источников, от Солнца до туманности Ориона, они обнаружили, что в космосе слишком много гелия — намного больше, чем могло образоваться исключительно внутри звезд. Хотя Хойл, Фаулер и Бербиджи в 1957 году показали, что звезды способны создавать все известные элементы и их изотопы, существовала одна проблема: звезды не могли производить достаточное количество второго по важности строительного материала — гелия. Звезды были подобны кустарным мастерским, неспособным масштабироваться до массового производства.

Хойл, который прежде заявлял, что у конкурирующей модели Гамова и Альфера «нет никаких доказательств», сам нашел пусть и косвенное, но все же свидетельство в ее пользу. В статье 1964 года он делал вывод, что «Вселенная либо имела сингулярное происхождение, либо имеет колебательную природу». Это заключительное утверждение поставило модель стационарного состояния на край пропасти: «сингулярное происхождение» по сути было эвфемизмом «Большого взрыва».

20 мая 1964 года новый тип телескопа, исследовавший небо над Нью-Джерси, вынес окончательный приговор модели стационарной Вселенной. Если зрительная труба Галилея в свое время подтвердила принцип Коперника, то этот телескоп нанес ему смертельный удар.

В то время как 1960-е годы стали периодом серьезных потрясений для американского общества, для физики они были поистине золотым веком. Как ни парадоксально, от холодной войны между США и СССР научный мир получал щедрые дивиденды. Запуск Советским Союзом первого искусственного спутника на орбиту Земли заставил правительство США вливать деньги в любые проекты, дающие хотя бы малейшую надежду на потенциальное военное превосходство. Тогда же наступила новая эра в финансировании науки в частном секторе, а такие компании, как Kodak, Bell Labs и IBM, начали играть роль современных Медичи.

В Bell Labs — в те времена это было исследовательское подразделение телекоммуникационного конгломерата AT&T — построили огромную радиоантенну особой конструкции в виде рупора диаметром 6 м. Предназначалась она не для радиоастрономии, а для межконтинентальной связи и вместе с гигантским воздушным шаром с металлизированной оболочкой должна была использоваться в проекте НАСА с говорящим названием «Эхо». Идея проекта была проста: посылать из лаборатории реактивного движения в Пасадене, Калифорния, радиоволны, чтобы, отражаясь от наполненного гелием воздушного шара, находящегося на большой высоте, они возвращались на антенну Bell Labs. Успех проекта «Эхо» оказался под вопросом, так как интенсивность радиоволн стремительно снижалась с расстоянием, что существенно затрудняло прием трансконтинентальных радиосигналов.

Технические проблемы программы были существенны, а запуск советского спутника и вовсе свел ее на нет {15} . Американское правительство опасалось, что Соединенные Штаты могут проиграть не только космическую, но и телекоммуникационную гонку. Размещение передатчика в космосе позволяло решить многие из проблем, связанных с воздушными шарами. Поскольку передатчик мог усиливать радиоволны, сигналы, передаваемые им обратно на Землю, были намного сильнее. И находивший в космосе спутник становился видимым на принципиально бо́льших расстояниях. Ответом США Советскому Союзу стал первый активный спутник связи Telstar. Антенна Bell Labs с ее сверхчувствительной детекторной системой осталась не у дел, но, к счастью, ей нашли другое применение. Два радиоастронома, Арно Пензиас и Роберт Уилсон, быстро перековали телекоммуникационные мечи на космологические орала. Массивную рупорную антенну они приспособили под телескоп для астрономических наблюдений, который в скором времени нанес второй смертельный удар по стационарной космологической модели Хойла.

Пензиас и Уилсон были радиоастрономами и специализировались на радио- и микроволновой части электромагнитного спектра — на электромагнитных волнах с длиной волны от 1 м до 1 мм, что соответствует частотам от 300 МГц до 300 ГГц. Во время обучения в Калтехе Уилсон посещал лекции по космологии самого Фреда Хойла в тот период, когда тот вместе с Вилли Фаулером занимался разработкой теории звездного нуклеосинтеза. Идеи Хойла и его модель стационарного состояния Вселенной произвели на Уилсона глубокое впечатление. Свой путь в историю два радиоастронома начали с простой цели: найти ничто. Но зачем искать ничто? Дело в том, что таким образом они могли откалибровать антенну, чтобы использовать ее как телескоп.

Если видимый свет отражается от каждой заряженной частицы и крупицы пыли, которая встречается у него на пути, то радиоволны перемещаются через межзвездное пространство почти беспрепятственно. Однако в 1964 году, всего через три десятилетия после того, как было открыто радиоволновое излучение Млечного Пути и положено начало новой науке — радиоастрономии, очень мало было известно о том, как «выглядит» наша Галактика на более высоких частотах, т. е. в микроволновом диапазоне излучения с длиной волн в 10–100 раз короче, чем у радиоволн.

Астрономов интересовало, зависит ли микроволновое излучение Млечного Пути от того, куда вы смотрите. Предполагалось, что если смотреть в направлении, далеком от дисковой части Галактики, в сторону так называемых «высоких галактических широт», то излучение меньше, подобно тому как звезды в зените видятся нам более четко, чем звезды у горизонта. Радиоастрономы также ожидали, что галактическое излучение на более высоких частотах (с более короткими длинами волн) должно быть намного слабее, чем на низких. Следовательно, если настроить радиотелескоп на высокие частоты и направить его на галактические полюса, он не должен уловить никаких волн.

Пензиас и Уилсон знали, что даже для наблюдения за самой спокойной точкой Галактики в направлении одного из ее полюсов и вдали от ее диска в первую очередь требуется откалибровать инструмент. Калибровка необходима во всех экспериментах, но особенно в астрономических, где физически невозможно добраться до источника сигнала. Чтобы откалибровать свой инструмент, астрономы направляют его на источник с известной величиной излучения и сравнивают показания измерений с этой величиной. Одна такая величина — это ноль, т. е. место, откуда не исходит никаких микроволн. Если задача «найти ничто» представляется вам сомнительным научным предприятием, отчасти вы правы: попробуйте получить финансирование под такой проект. Но когда вы смотрите в бездну, порой происходят удивительные вещи.