Свет, которого не видел Ом
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.
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.
Рассказ очевидца
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.
