Бог и Мультивселенная. Расширенное понятие космоса - Виктор Стенджер

В 1964 году бывший студент Дикке по имени Джеймс Пиблс рассчитал, что реликтовое излучение должно иметь температуру порядка 10 К, находясь в микроволновом диапазоне.

В Принстоне в то время работали также Питер Ролл и Дэвид Уилкинсон, сконструировавшие радиометр, с помощью которого можно было измерять характеристики излучения с длиной волны 3 см. Так возникла исследовательская группа, занявшаяся поиском реликтового излучения.

Однако тут произошла известная история, описанная, в частности, в бестселлере нобелевского лауреата Стивена Вайнберга «Первые три минуты»{187}: принстонских физиков совершенно случайно опередили двое ученых из «Лабораторий Белла», расположенных в местечке Холмдел Тауншип, штат Нью-Джерси, всего в 40 милях от Принстона. В 1963 году радиоастрономы Арно Пензиас и Роберт Вильсон начали работать на высокочувствительном 7,35-сантиметровом микроволновом приемопередатчике с рупорной антенной, действующей на принципах сверхсовременной криогенной технологии, включающей квантовый СВЧ-усилитель (мазер). Этот прибор изначально предназначался для связи со спутником «Телстар», принадлежащим «Лабораториям Белла». Европейские партнеры «Лабораторий Белла» установили аналогичную систему, и американский прибор выполнял функцию запасного. Однако запасной приемник оказался не нужен, так что Пензиас и Вильсон смогли использовать его для исследований в области радиоастрономии.

Ученые решили попробовать измерить интенсивность излучения нашей Галактики вне ее плоскости, что значит за пределами Млечного Пути. Весной 1964 года они обнаружили избыточные радиопомехи, которые возникали не из-за проблем с антенной или электрическими схемами. Они сделали все, что было в их силах, чтобы исключить возможные источники шума со стороны оборудования, в том числе очистили антенну от «белого диэлектрического вещества», оставленного на ней голубями, после чего сделали вывод, что помехи вызваны внешним источником. Поскольку сигнал шел равномерно со всех сторон, влияние атмосферы Земли или даже всего Млечного Пути можно было исключить.

Радиотехники выражают шум заданного диапазона в температуре черного тела, излучение которого будет давать такой шум. В результате Пензиас и Вильсон получили температуру антенны, равную 3,5 К.

Благодаря быстрому распространению слухов в научной среде две исследовательские группы из Нью-Джерси узнали друг о друге и начали делиться информацией. В 1965 году Пензиас и Вильсон представили данные своих наблюдений в работе, напечатанной в «Астрофизическом журнале» под непритязательным названием «Измерение избыточной температуры антенны при частоте 4080 МГц»{188}. Что касается трактовки данных, авторы сослались на опубликованную ранее статью Дикке, Пиблса, Ролла и Уилкинсона на ту же тему, озаглавленную «Космическое излучение абсолютно черного тела»{189}. В1978 году Пензиас и Вильсон получили Нобелевскую премию по физике.

Научное сообщество вскоре признало значимость их открытия, которое в конечном счете оказалось одним из важнейших астрономических достижений после открытия красного смещения галактик. Однако, чтобы подтвердить, что наблюдаемые помехи на самом деле являются тепловым излучением, требовалось больше измерений, ведь было обнаружено излучение только одной длины волны. В начале 1966 года Ролл и Уилкинсон сообщили об обнаружении излучения с длиной волны 3,2 см, подтвердив тем самым, что микроволновое излучение где-то рядом. Но требовалось больше данных.

Спектр

Планковский спектральный график черного тела при температуре 3 К изображен на рис. 10.1. Заметьте, что его форма отличается от представленной на рис. 6.1. Кроме того, здесь обе оси являются логарифмическими.

Следует отметить несколько фактов: обе группы из Нью-Джерси при расчетах столкнулись с так называемой областью Рэлея — Джинса, которая описана классической волновой теорией, изложенной в главе 5. Чтобы убедиться в том, что они действительно наблюдают излучение черного тела, необходимо было составить график всего спектра. Однако, хотя атмосфера относительно прозрачна для микроволн, она теряет эту прозрачность при смещении в сторону инфракрасного диапазона — как раз когда при 3 К проявляется отклонение от классической волновой теории и спектр схлопывается вследствие квантовых эффектов.

Рис. 10.1. Спектр черного тела при 3К по формуле Планка. Вертикальная ось дана в фотонах на кубический сантиметр объема на сантиметровый интервал длины волны. Линейная часть графика представляет классический спектр Рэлея — Джинса, который резко сужается в четвертом порядке длины волны. Результат измерений Пензиаса — Вильсона соответствует длине волны 7,35 см. Результат измерений Ролла и Уилкинсона при длине волны 3,2 см отмечен на графике ниже. Ни один из них не входит в квантовый диапазон. Авторская иллюстрация 

Еще в 1941 году два оптических астронома, Уолтер Адамс и Эндрю Маккеллар, наблюдали расщепление на три части межзвездной линии поглощения, соответствующей молекуле циана (CN). Маккеллар рассчитал, что две из трех линий появляются вследствие какого-то неизвестного возмущения, соответствующего температуре 2,3 К. После открытия реликтового излучения стало понятно, что расщепление вызвало излучение черного тела с длиной волны 0,263 см, что точно соответствует пику планковского спектра, изображенного на рис. 10. 1.{190}

О Большом взрыве опять вспомнили. Предположительно, ученым удалось обнаружить отголоски взрыва, из которого появилась Вселенная. Разумеется, некоторые все еще сомневались в этом. Фред Хойл и группа его верных последователей — сторонники стационарной модели изо всех сил старались сыграть роль адвокатов дьявола, ведя поиски другого объяснения наблюдаемого излучения. Но все эти попытки делались вслепую, и им недоставало эмпирических подтверждений. Стационарная модель постепенно вышла из доверия, хотя Хойл и Джефри Бербидж продолжали сомневаться в том, что теория Большого взрыва действительно нашла подтверждение. Они требовали еще больше данных.

Возрождение первичного нуклеосинтеза

Еще в 1953 году Альфер, Герман и Джеймс Фоллин издали объемную работу, в которой подробно изложили все, что было известно физике того времени об условиях во Вселенной на первом этапе ее существования{191}. Вайнберг назвал этот труд «первым подробным современным анализом ранней истории Вселенной»{192}. Однако авторы не рассматривают нуклеосинтез и не упоминают микроволновое излучение.

С открытием реликтового излучения (РИ) в 1965 году модель Большого взрыва вышла на первый план, и новые расчеты процесса первичного нуклеосинтеза были проделаны независимо Яковом Зельдовичем в СССР, Хойлом и Роджером Тейлором в Великобритании и Пиблсом в США. (Еще один маленький экскурс в суть науки: несмотря на то что Хойл резко возражал против теории Большого взрыва, он не считал недостойным провести серьезные, непредвзятые расчеты в рамках этой модели.) Хотя к тому моменту уже было ясно, что химические элементы тяжелее гелия формируются преимущественно в звездах, они составляют всего лишь около 1% общей массы атомов во Вселенной. 75% остальной массы представлены водородом, а еще примерно 24% — гелием, и Хойл признавал, что процессов, происходящих в звездах, недостаточно, чтобы образовалось такое его количество. Тем не менее он все еще не был готов признать Большой взрыв и продолжал искать другие объяснения. Однако следующее поколение космологов докажет окончательно и бесповоротно, что Большой взрыв на самом деле имел место.

Дэвид Шрамм: кроткий гигант космологии

В своих «Первых трех минутах» Вайнберг делает отступление, на протяжении целой главы пытаясь разобраться, почему открытие РИ произошло так поздно и по чистой случайности, в то время как уровень знаний и технологий находился на должном уровне в течение довольно длительного времени до того{193}. Одна из причин, которые он упоминает, заключается в недостаточном обмене информацией между теоретиками, работавшими над моделью Большого взрыва, и радиоастрономами. Мы уже сталкивались с такой ситуацией ранее, в случае с Хабблом и другими астрономами-наблюдателями, крайне мало знавшими о релятивистской космологии, в то время как физики, занимавшиеся релятивистской космологией, не обращали внимания на данные наблюдений. Исключением был Жорж Леметр. Пусть он сам не проводил наблюдений, но хотя бы соотносил свои теории с их данными.

Волнующий период развития физики — 1960–1970-е годы, в которые мне довелось жить и работать, — довольно сильно отличался в этом отношении. К тому времени междисциплинарные связи существенно улучшились. Хотя у нас еще не было Интернета, но были телефоны, факсы, ксероксы и реактивные самолеты, позволявшие нам встречаться и беседовать друг с другом. Теоретики и экспериментаторы ходили друг к другу на семинары, вместе обедали и пользовались общим кофейником в лаборатории. Я дважды проводил творческий отпуск в лаборатории ядерной физики Оксфордского университета: там было принято делать один перерыв утром, чтобы выпить кофе, и один днем, во время которого все пили чай (самый лучший и дешевый в городе), сидя вместе за маленькими столиками в большой общей комнате и обсуждая последние новости физики. Иногда к нам присоединялся кто-нибудь из известных личностей.