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

Как и Уильям Гершель, который рассчитывал найти несколько новых звезд, а вместо этого открыл планету Уран, Пензиас и Уилсон с их сверхчувствительным радиотелескопом поставили перед собой скромную цель: «Мы пытались убедиться в том, что нельзя измерить отсутствие излучения Млечного Пути, но вместо этого обнаружили излучение, исходящее, очевидно, из-за пределов Млечного Пути» {16} . Поначалу они восприняли это излучение как досадный радиошум.

Радиоастрономы измеряют интенсивность электромагнитных волн несколько странным способом, а именно с точки зрения того, насколько горячим, в градусах Кельвина, должен быть идеальный источник излучения — абсолютно черное тело, чтобы испускать обнаруженные ими сигналы. Таким образом, радиоастрономы говорят, что данный источник излучает столько-то кельвинов. Это также означает, что с помощью радиотелескопа можно дистанционно «измерять температуру» астрономических объектов с такой же точностью, как мы измеряем температуру более доступных земных объектов с помощью термометра.

В 1961 году, за три года до Пензиаса и Уилсона, инженер Bell Labs Эдвард Ом пытался откалибровать эту же антенну, но нашел ее слишком «шумной». Совершенных радиотелескопов не существует: любой инструмент генерирует некоторый шум, т. е. даже если направить его на объект с температурой абсолютный ноль, прибор покажет, что тот излучает какое-то тепло. Однако Ом счел, что телескоп слишком шумный, даже после того, как выявил и учел все возможные источники ошибки, так называемую «систематическую погрешность». Ом суммировал вклад всех известных ему источников помех, производивших избыточный сигнал, который показывали измерения: 22,2 кельвина с погрешностью в 2,2 кельвина {17} . (На первый взгляд это преобладание «2» кажется подозрительным, но для Ома дело было не в двойках.)

Модель Ома предполагала, что, если направить телескоп на самые темные участки неба, тот должен показать температуру около 19,1 кельвина. Именно этого он и ждал. Однако при измерениях она оказывалась почти на 3 кельвина больше расчетной величины — 22,2 кельвина. Ом списал этот избыток на неудачу и отмахнулся от не устраивавших его данных. При этом он допустил непростительную при анализе данных ошибку — склонность к подтверждению своей точки зрения. Вместо того чтобы предположить, что сигнал реален, и попытаться докопаться до его причины, он откинул его, исходя из своих представлений о том, каким этот сигнал должен быть. На самом деле ложноотрицательный результат хуже ложноположительного: если не говорить о шоке при страшном известии, то, как вы думаете, что лучше — чтобы ваш доктор не смог диагностировать у вас рак, который есть, или чтобы он сказал, что у вас рак, тогда как вы не больны?

В своей статье Ом делал ложноотрицательный вывод: нет необходимости учитывать фоновое тепловое излучение, предсказанное в расчетах Альфера и Германа. Всякий раз, когда я думаю об этом, у меня возникает острое желание схватить Ома за его узкий черный галстук по моде 1960-х и спросить: «Как ты мог, Эдвард?» Это противоречит всему тому, чему учат студентов-практикантов в научных лабораториях: нельзя относиться к данным избирательно, отбрасывая те, которые вам не нравятся. Впрочем, Ом и без того понес суровое наказание, собственноручно лишив себя Нобелевской премии.

Айзек Азимов однажды сказал, что архетипическая реакция настоящего ученого на новое открытие вовсе не «Эврика!», а сомнение. Часто это сомнение смешивается со страхом — страхом ошибиться, стать жертвой непреднамеренного заблуждения и опорочить свою репутацию.

Пензиас и Уилсон были храбрыми. Они не стали списывать расходящиеся с нулем результаты измерений на несовершенное оборудование. Вместо этого ученые решили узнать причину раздражающего радиошума — это реальность или просто они что-то сделали не так? {18}

Поначалу их рупорная антенна была развернута в сторону Нью-Йорка, который находился всего в 80 км от Холмдела и со своим лесом радиовышек был наиболее очевидным источником потенциального загрязнения. Понятно, что никому бы в голову не пришло устанавливать оптический телескоп в сверкающем огнями районе Лас-Вегас-Стрип. Но эта антенна первоначально предназначалась для связи, а не для радиоастрономии, поэтому и была построена так близко к мегаполису. Астрономы отвернули ее в сторону, чтобы избежать шума, но сигнал сохранялся, куда бы они ее ни направили.

Не сумев возложить вину на ньюйоркцев, Пензиас и Уилсон принялись искать других виновников загрязнения сигнала. Вскоре они обнаружили новые улики: в уютном, защищенном от непогоды и хищников рупоре антенны обосновалось семейство голубей, покрыв внутреннюю поверхность рупора большим количеством «белого диэлектрика». Ну что возьмешь с птичек? Пензиас и Уилсон тщательно очистили свой рупор от помета и отвезли пернатых в Филадельфию {19} . Но голуби вернулись обратно — недаром птицы славятся своей способностью находить путь домой. «Чтобы избавиться от них, пришлось достать дробовик… Никто из нас не был в восторге от такого решения проблемы, но это был единственный выход», — покаянно вспоминал впоследствии Арно Пензиас {20} .

Но и победа над голубями не позволила избавиться от радиошума. Оставался только один источник, который мог производить такой сигнал, исходящий со всех сторон, неизменный и непрерывный, в любое время дня и ночи: сам космос. Конечно, это еще требовалось доказать. И подтверждение, как ни странно, пришло от соперников, которые даже не собирались вступать в бой.

«Парни, нас обскакали!» — с перекошенным от досады лицом сообщил коллегам Боб Дикке. Он только что поговорил по телефону с Арно Пензиасом. Тот получил номер Дикке от Бернарда Бёрка, радиоастронома из MIT, который видел черновик статьи Джима Пиблса, талантливого молодого коллеги Дикке по Принстону. В своей статье Пиблс развивал сделанное десятилетие назад предположение Альфера и Германа о том, что если водород и гелий образовались миллиарды лет назад, то остаточное тепло должно проявляться в виде фонового микроволнового излучения. Пензиас рассказал Дикке о загадочном микроволновом шуме, обнаруженном им с Уилсоном. Мимоходом он заметил, что этот шум не мог исходить из галактики Млечный Путь. Дикке сразу понял, что это значит.

Упустив шанс стать первооткрывателями космического микроволнового фона (реликтового излучения), команда Дикке по крайней мере могла дать свое объяснение. Исследователи считали, что для возникновения такого фонового излучения от Вселенной требовалось наличие высокой температуры и трех ингредиентов — протонов, электронов и фотонов. В таком состоянии вся Вселенная, по сути, представляла собой раскаленную плазму. Плазму иногда называют «четвертым состоянием материи» в дополнение к более знакомым газообразному, жидкому и твердому состояниям. Плазму можно описать как горячий газ, состоящий из заряженных частиц, таких как электроны и протоны.