100 великих научных открытий

В 1948 г. на этот вопрос попытался ответить русский физик Георгий Гамов с коллегами Робертом Херманом и Ральфом Альфером. Согласно их теории, в первую же долю секунды после рождения Вселенной ее вещество, состоявшее из разрозненных частиц и раскаленное до 30 млрд градусов, беспрерывно излучало фотоны (порции энергии). Благодаря очень высокой плотности они сталкивались и создавали пары заряженных частиц, те при столкновениях образовывали нейтральные частицы и выпускали опять-таки фотоны, а протоны и нейтроны при стычках с фотонами «менялись телами». Создавать цельные ядра они не могли, поскольку выплески энергии попросту разбивали бы их. Но по мере расширения Вселенной ее температура падала, частицы вели себя спокойнее, и протоны с нейтронами получали возможность объединяться в дейтерий, а из него уже образовывался гелий. Минут за пять синтезировалась та самая треть гелия, а все остальное пространство занял водород, построенный незадействованными протонами. Вселенная продолжила остывать, но на память ей осталась часть первородного горячего излучения.

Позже был представлен еще один вариант «холодной» теории, предусматривавший на старте холодную смесь электронов, протонов и нейтрино, образовавших водород, который уже в составе звезд превратился в гелий. Чтобы выяснить, какова из представленных версий ближе всего к истине, астрофизикам следовало поискать предсказанное Гамовым первородное (реликтовое) излучение. И в 1960-х его нашли, причем абсолютно случайно!

Реликтовое излучение

Реликтовое, или, как его еще называют, космическое микроволновое фоновое излучение, — это электромагнитные волны преимущественно радиодиапазона (длиной от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров), схожие по спектру с излучением абсолютно черного тела, охлажденного до трех кельвинов (‒270,15 °C). Высвобожденные в первые минуты жизни Вселенной, они поступают на нашу планету буквально отовсюду, тем не менее уловить их удалось лишь во второй половине ХХ века.

Итак, в 1960-е астрофизики приступили к поискам первородного излучения, чтобы либо подтвердить, либо опровергнуть теорию горячей Вселенной. Рассчитав все возможные параметры этого излучения, советские ученые показали, что, хоть оно и слабое, его можно зафиксировать: на этой длине волны конкурентов у него просто нет. Однако в научных кругах то ли не обратили внимания на данное исследование, то ли не приняли его всерьез.

Между тем еще в 1941 г. Эндрю Маккеллар (астроном из Канады) предположил существование в космосе неизвестного излучения температурой около ‒270,85 °C, которое вращает рассеянные в межзвездном веществе молекулы ядовитого газа циана. Именно при вращении эти молекулы поглощают часть видимого излучения звезды Дзета в созвездии Змееносца и некоторых других светил. Впоследствии выяснилось, что это и было реликтовое излучение, только в 1940-х об этом никто и подумать не мог.

В 1950-х молодой советский астроном Тигран Шмаонов впервые измерил простенькой рупорной антенной радиоизлучение с 32-сантиметровой волной. Антенна была недостаточно чувствительной для того, чтобы получить точные результаты, однако Шмаонов постарался учесть все сторонние помехи и определил температуру лучей в районе четырех кельвинов (это ‒269,15 °C, то есть на целый градус ниже реального значения). Кроме того, ученый сделал верный вывод о том, что излучение не слабеет и не увеличивает мощность со временем — оно распространяется без скачков интенсивности одинаково по всем направлениям. Подробности своих изысканий Шмаонов изложил в диссертации и опубликовал в известном научном журнале. Но увы. Его работа тоже осталась незамеченной.

Десять лет спустя за поиски радиоволн взялся принстонский физик Роберт Дикке (1916–1997), который верил, что в космосе должно было остаться излучение некогда горячей коллапсирующей Вселенной. (По мнению ученого, Вселенная не родилась с нуля — она существовала вечно, только сначала сжималась и разогревалась, пока температура ее вещества не достигла примерно десяти миллиардов градусов, а потом по каким-то непонятным причинам начала расширяться и остывать.) Для поиска таких волн Дикке хватило бы и небольшого приемника, ведь радиоизлучение поступает со всех сторон, так что ставить огромный рупор просто не имело смысла. И вот, когда коллеги Роберта — Джим Пиблс и Дэвид Уилкинсон — собственноручно водрузили антенну на крышу лаборатории, дело осталось за малым: зафиксировать звук, идущий из космоса, и официально заявить об открытии… Но Дикке опередили.

В 1963 г. двое других американских ученых — 27-летний Роберт Уилсон и 30-летний Арно Пензиас, трудившиеся в соседнем городе, в телефонной компании Александра Белла, решили понаблюдать за межзвездной средой Млечного Пути, улавливая исходящие от нее радиоволны с помощью шестиметровой трубки-приемника, предназначенной для связи с искусственным спутником. Теориями эволюции Вселенной Уилсон и Пензиас особо не интересовались, и поиски реликтового излучения отнюдь не были их целью.