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

В статье Дикке, опубликованной в том же номере астрофизического журнала, что и статья Пензиаса и Уилсона, содержалось множество ссылок на статьи Хойла, Бонди и Голда 1948 года, посвященные модели стационарного состояния Вселенной {21} . На самом деле в своей статье Дикке не определил причину такой высокотемпературной фазы и даже не упоминал фразы «Большой взрыв». В пресс-релизе Bell Labs от 23 мая 1965 года было сказано только, что сделанное открытие подтверждает «расширение Вселенной от высокотемпературного коллапсированного состояния» {22} .

Два месяца спустя Дикке и его коллеги опубликовали еще одну статью, в которой утверждали, что материя в нашей Вселенной могла образоваться в результате «предыдущего расширения замкнутой Вселенной, колеблющейся все время» {23} . В конце каждого цикла Вселенная гибнет в огненном смерче, который стирает все следы предыдущей Вселенной. Такая цикличность, по словам Дикке и его соавторов, «освобождает нас от необходимости обсуждать происхождение материи в какой-либо конечный момент времени в прошлом… пепел от предыдущего цикла перерабатывается обратно в водород, необходимый для формирования звезд в следующем цикле» {24} . Циклична Вселенная или нет, было ясно одно: с моделью стационарного состояния покончено.

На что могло походить горнило творения? В течение примерно 20 минут после Большого взрыва или после Большого сжатия в конце предыдущего цикла (в циклической модели) картина была, вероятно, поистине захватывающей: вся Вселенная превратилась в термоядерный реактор, в котором за короткое время была синтезирована бо́льшая часть всех существующих ныне ядер гелия. Наблюдатель, который сумел бы выжить в этом вселенском инферно, увидел бы вокруг себя бурлящее варево из заряженных частиц (протонов и электронов), непрерывно бомбардируемых стремительными фотонами. После этого все стало довольно скучно.

Однообразие закончилось спустя 380 000 лет. В этом нежном возрасте Вселенная расширилась достаточно, чтобы остыть ниже магической температуры в 3000 кельвинов и заполниться интенсивным инфракрасным излучением. Чтобы понять, как измерение сегодняшней температуры CMB помогает космологам оценить свойства Вселенной, какой она была почти 14 млрд лет назад (таков ее возраст по современным оценкам), обратимся к простой аналогии. Представьте, что вы — Роберт Фолкон Скотт, который в далеком 1911 году отправился со своей экспедицией к Южному полюсу. Как истинный англичанин, вы решаете приготовить себе чашку чая. Для этого в своей холодной палатке кипятите воду.

Когда вода в чайнике закипает, палатка наполняется паром. Пар настолько густой, что не видно ничего на расстоянии вытянутой руки. Внезапно снаружи слышится попискивание пингвина. Зная, что в пингвиньем мясе идеально сочетаются вкус курицы и вкус рыбы, вы выбегаете с ружьем, чтобы схватить добычу и сделать себе сэндвич к чаю. Пока вы охотитесь, пламя гаснет и вода в чайнике остывает. Водяной пар конденсируется в воду при температуре ниже 100 °C. Когда вы возвращаетесь с трофеем в палатку, то обнаруживаете, что туман исчез. Сколько же времени потрачено на охоту? Зная температуру оставшейся в чайнике воды, а также физические свойства воды, в том числе температуру, с которой началось охлаждение (100 °C), вы можете легко рассчитать это время.

Температура в 3000 кельвинов — точка ионизации водорода — аналогична температуре кипения воды в 100 °C: обе величины известны. Знаем мы и физические свойства водорода. Исходя из известной нам точки ионизации водорода и нынешней температуры реликтового излучения, 3 кельвина, мы полагаем, что с того времени, когда Вселенной было 380 000 лет, она расширилась в тысячу раз во всех направлениях. Помните о красном смещении в спектре удаляющихся от нас источников света? Так вот, в модели Большого взрыва, когда Вселенная расширилась в тысячу раз, длина всех электромагнитных волн также увеличилась в тысячу раз. Длина волны инфракрасного излучения, заполнившего Вселенную при образовании водорода, растянулась с примерно одного микрона до нескольких миллиметров, и излучение перешло в микроволновый диапазон.

Когда протоны и электроны остыли ниже 3000 кельвинов, плазма «конденсировалась», только не в воду, а в водород. Водородный газ нейтрален и проницаем как для световых волн, так и для микроволн, поэтому начиная с этого момента (380 000 лет) вся Вселенная стала прозрачной, как воздух в вашей гипотетической палатке после охлаждения и конденсации водяного пара. Благодаря конденсации плазмы в водород мы можем заглянуть назад в то время, когда образовалось фоновое излучение. Эта эпоха продлилась всего 100 000 лет — крошечный период по сравнению с возрастом Вселенной в 13,8 млрд лет. На самом деле это время было настолько коротким, что об эпохе, когда плазма конденсировалась в водород, космологи говорят как о воображаемой оболочке «толщиной» в 100 000 световых лет, известной как «поверхность последнего рассеяния». Поверхность последнего рассеяния окружает нас и представляет собой сферическую оболочку — именно из нее фотоны, которые мы видим сегодня как реликтовое микроволновое излучение, начали свое путешествие почти 14 млрд лет назад.

В модели Дикке и его команды фактический возраст Вселенной не имел значения. Разница между фактическим возрастом Вселенной (если у нее действительно было начало несколько миллиардов лет назад) и возрастом в 380 000 лет, когда произошла рекомбинация водорода, — ничто в сравнении с «вечностью». Так или иначе Вселенная в далеком прошлом была намного горячее и плотнее, чем сегодня, возможно бесконечно горячей, если был Большой взрыв (рис. 18). Независимо от того, какая модель верна — Большой взрыв или стационарное состояние Вселенной, обе предусматривают космическое микроволновое фоновое излучение.

Не уверенные в космологической интерпретации своего открытия, Пензиас и Уилсон осторожно назвали статью, опубликованную в июне 1965 года, «Измерение избыточной антенной температуры на частоте 4080 МГц». За этим скромным названием скрывалось «самое важное открытие всех времен», которое принесло космологии первую Нобелевскую премию. В достойном похвалы жесте благодарности и благородства Пензиас предложил Дикке стать третьим автором статьи об открытии реликтового излучения. В конце концов, только благодаря совместной работе двух команд космология сумела окончательно возвыситься до статуса «точной науки».

Но Дикке отказался со словами, что это заслуга двух авторов открытия, исключив себя тем самым из списка претендентов на первую Нобелевскую премию за исследования в области космологии. Пензиас и Уилсон получили в 1978 году премию по физике «за открытие космического микроволнового фонового излучения» {25} .