Бог и Мультивселенная. Расширенное понятие космоса

Стенджер Виктор

Небесные помехи

Из предыдущей главы мы узнали, что, согласно расчетам Ральфа Альфера и Роберта Германа, выполненным в 1949 году, если ранняя Вселенная была настолько горячей и плотной, как того требует модель Большого взрыва, то сейчас ее должно наполнять тепловое излучение, остывшее примерно до 5 К вследствие постоянного расширения Вселенной на протяжении миллиардов лет. Большинство физиков и астрономов тех времен не обратили внимания на эти расчеты. Возможно, они не отнеслись серьезно к теории Большого взрыва, поскольку она не смогла объяснить формирование химических элементов тяжелее гелия, кроме разве что ничтожно малых количеств лития и бериллия.

Либо же они, как, например,

Фред Хойл и его сторонники, могли не одобрять выводы религиозных апологетов, в том числе папы, которые утверждали, что модель Большого взрыва является научным подтверждением Божественного сотворения мира.

Этот скептицизм в отношении модели Большого взрыва укрепился еще сильнее, когда теория Хойла, Уильяма Фаулера, Маргарет Бербидж и Джефри Бербиджа, объясняющая формирование более тяжелых элементов в ядрах умирающих звезд, приобрела небывалую популярность. Когда эти звезды истощают все свои запасы водородного топлива, с ними происходит гравитационный коллапс. Условия, необходимые для ядерного синтеза, — сочетание высоких температуры и плотности — существуют в недрах коллапсирующих звезд, однако на раннем этапе развития Вселенной таких условий не было.

Тем не менее идея о существовании так называемого космического фонового, или реликтового, излучения продолжала будоражить умы ученых, очевидно, не знакомых с работой Альфера и Германа. В начале 1960-х физик из Принстонского университета Роберт Дикке занимался исследованием возможности того, что Вселенная циклически претерпевает то Большие взрывы, то Большие сжатия. Эта теория представляет одно из возможных решений космологических уравнений Фридмана. Дикке отметил, что раньше на протяжении текущей фазы колебаний наша Вселенная была значительно горячее, чем сейчас. В этом случае могло образоваться тепловое излучение, которое с тех пор остыло из-за расширения Вселенной.

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}