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

Космическая пыль невероятно усложняет космологам жизнь, но в ней — история Вселенной. Малозаметная и вездесущая, пыль не бросается в глаза, однако ее невозможно игнорировать, поскольку из пыли образована сама земная твердь под нашими ногами.

И, возможно, за пределами нашей планеты пыль играет еще бо́льшую роль на космической сцене, а не просто служит своего рода космической помехой?

Через семь лет после открытия реликтового излучения разбирательство по делу против модели стационарного состояния в защиту Большого взрыва было далеко не закончено. Даже Роберт Уилсон признался, что ни он, ни Арно Пензиас не считали, что открытие реликтового излучения стало приговором для стационарной модели: «По правде говоря, никто из нас не принимал космологию [Большой взрыв] всерьез. На самом деле мы хотели оставить вопрос открытым, чтобы наши коллеги из лагеря стационарной теории могли предложить свое объяснение этого феномена» {1} .

В своей монументальной монографии по космологии, вышедшей в 1972 году, лауреат Нобелевской премии Стивен Вайнберг писал: «В некотором смысле это несогласие является достоинством стационарной модели; она является единственной в космологии моделью, предсказания которой настолько определенны, что ее можно опровергнуть на основании даже тех ограниченных наблюдаемых данных, которые имеются в нашем распоряжении. Стационарная модель настолько притягательна, что многие ее приверженцы все еще пребывают в надежде на то, что аргументы против нее исчезнут при совершенствовании наблюдений. Однако если… космическое микроволновое излучение действительно является излучением черного тела, то очень трудно усомниться в том, что Вселенная развивалась из некоторого более плотного и более горячего состояния в прошлом» [19], {2} . Излучение черного тела означает, что излучение исходило от идеального излучателя с температурой выше абсолютного нуля. Такие черные тела имеют предсказуемую эмиссию для всех длин волн, и спектр излучения зависит только от их температуры (рис. 21). Черное тело — это своего рода противоположность черной дыры. И черное тело, и черная дыра полностью характеризуются их площадью и еще одним качеством: массой в случае черных дыр и температурой, если мы говорим о черных телах. Тогда как черная дыра поглощает весь падающий на нее свет, независимо от длины волн, поляризации и энергетического состояния, черное тело излучает все возможные типы света: на всех частотах, со всеми возможными видами поляризации. Все, что нагревается и при нагревании излучает свет или микроволны, — раскаленная кочерга, лампа накаливания, газовые шары, в которых водород превращается в гелий (т. е. звезды), и т. д. — это черные тела.

Если бы реликтовое излучение можно было измерить на всех длинах волн, стационарная теория была бы опровергнута, но почти три десятилетия после его открытия никто не мог это сделать. Вскоре после обнаружения реликтового излучения Фред Хойл и Джефф Бербидж показали, что весь существующий во Вселенной гелий не мог образоваться только путем звездного нуклеосинтеза — удары по стационарной модели шли один за другим {3} . Тем не менее ее авторы и наиболее ярые приверженцы продолжали держаться за свою теорию, хотя и признавали, что в своем первоначальном виде она нежизнеспособна.

В статье, опубликованной параллельно со статьей Пензиаса и Уилсона, Дикке и его соавторы объясняли реликтовое излучение в контексте циклической Вселенной, которая переживает бесконечные циклы коллапса (сжатия) и расширения. Согласно циклической модели, легкие элементы (водород, гелий и литий) могли образоваться из «пепла предыдущего цикла», другими словами, смерть в огне предыдущей Вселенной могла обеспечить необходимое сырье, энергию и материю для следующего цикла. Но откуда в циклической модели мог появиться космический микроволновый фон? И почему его температура должна составлять 2,7 кельвина, как посчитали Пензиас и Уилсон?

Хойл, работавший с Бербиджем, понимал, что стационарная космологическая модель требует серьезного пересмотра. Первая проблема заключалась в неизменности стационарного состояния. Название тоже нуждалось в пересмотре. Они переименовали модель в космологию квазистационарного состояния. Но что означает «квази»?

Если модель стационарного состояния «начиналась» без какого-либо начала вообще, с постулата, что Вселенная вечна и непрерывно рождает материю и антиматерию в соотношении, необходимом, чтобы сохранить всю схему Понци [20], то новая Вселенная Хойла и Бербиджа была циклической, заново рождающейся после каждого цикла. Хотя такое состояние нельзя было назвать действительно стационарным, циклы были чрезвычайно длинными: 500 млрд лет плюс-минус несколько миллиардов. Благодаря таким непостижимо огромным временны́м рамкам — в 100 раз больше возраста Солнца — эта модель сохраняла лучшие свойства модели стационарного состояния, например механизм звездного нуклеосинтеза, объяснявший образование тяжелых элементов во Вселенной, тогда как именно этого особенно не хватало модели Большого взрыва {4} .

Хойл и Бербидж рассчитали, что «энергия, высвобождаемая в ходе синтеза космического гелия из водорода, почти точно совпадает с энергией, содержащейся в космическом микроволновом фоновом излучении» {5} . Однако то, что они могли объяснить точное количество энергии, возникающей в процессе нуклеосинтеза, еще не означало, что они могли объяснить, почему реликтовое излучение имело именно ту температуру, которую называли Пензиас и Уилсон. Почему именно 2,7 кельвина? {6} Хойл задал этот вопрос сторонникам модели Большого взрыва и не получил ответа. Хойл объяснил, что их предпочтение теории Большого взрыва, как это часто бывает, результат склонности к подтверждению своей точки зрения. Они поступают как студенты, которые в погоне за хорошей оценкой подгоняют расчеты под правильный ответ. «Если бы измерения показали температуру 27 кельвинов вместо 2,7 кельвина, — написал он, — тогда их модель объяснила бы 27 кельвинов. Или 0,27 кельвина. Или любую другую величину» {7} . Температура 2,7 кельвина не была предсказанием , вытекающим из модели Большого взрыва, но свободным параметром , который требовал дополнительных наблюдений.

Хойл рассматривал реликтовое излучение как возможность, а не как вызов. Он был уверен, что, в отличие от модели Большого взрыва, его модель позволит предсказать температуру космического фона в 2,7 кельвина исходя из основных принципов. Чтобы это сделать, он и его коллеги обратились за помощью к самой скромной субстанции во Вселенной — к пыли.