6. Следующий рубеж

Эту историю можно начать с описания того, как ранним утром 19 ноября 1989 г., после бессонной ночи, Джон Мазер и члены его команды по изучению реликтового излучения COBE в прозрачном предрассветном сумраке отправились на известную ракетно-космическую базу США Ванденберг в окрестностях города Санта-Барбара (Калифорния). Разглядывая придорожный ландшафт, Мазер размышлял о высоких целях миссии его группы. Он понимал, что успешный запуск разработанного группой спутника COBE может радикально изменить наши представления о строении Вселенной, так как его аппаратура была спроектирована для измерения шипения, которое дошло от Большого взрыва. Речь идет об излучении, оставшемся от того времени, когда Вселенная была горячей, плотной, которое движется к нам от момента возраста Вселенной 400 000 лет: в этом излучении прослеживается история расширения Вселенной. В это утро сам воздух Калифорнии казался наполненным возбуждением, напряжением и предвкушением успеха. Всего несколько часов назад инженеры группы COBE окончательно смонтировали бортовой компьютер ракеты «Дельта» и теперь ожидали момента, когда «Satellite of Love», над которым некоторые из них работали десятилетия, отправится в темное утреннее небо.

Непосредственно перед стартом запущенные в небо метеорологические зонды показали наличие сильного ветра над космодромом. Ванденберг остановил запуск. Члены команды уже начали беспокоиться, опасаясь пропустить временное окно длительностью 35 минут, после которого запуск пришлось бы перенести. После этих минут, показавшихся команде эоном, обратный отсчет был возобновлен. Все увидели озарившую небо вспышку огня и медленный завораживающий взлет. Огромная ракета «Дельта» развернулась строго по плану. Через 10 минут после старта произошло отключение первой ступени и включение второй, после чего спутник COBE отделился от ракеты-носителя и вышел на расчетную орбиту, расположенную на высоте 170 км над поверхностью Земли.

Однако члены команды COBE отпраздновали свой успех только через несколько недель, когда смогли окончательно убедиться в том, что вся аппаратура на орбите работает, как ожидалось, в холодном вакууме космоса. Самый первый сет данных, «первый свет», произведен после тщательной проверки и калибровки. Затем данные начали поступать регулярно, и ученых даже удивляло, с какой точностью они соответствуют теоретическим ожиданиям. Прошли месяцы работы, прежде чем после тщательного изучения и анализа команда была готова передавать полученные результаты другим ученым и широкой общественности. Но, когда они это сделали, то представили совершенно новую карту Вселенной, которая соответствовала теории существования холодной темной материи. Таким образом, на составляемой ими карте Вселенной был запечатлен древний свет, дошедший до нас из самых глубин космоса.

Подготовка к миссии спутника COBE потребовала от разработчиков длительной и очень серьезной работы, подобной трудам картографов в глубокой древности. Очень давно, в начале 1519 г., Фердинанд Магеллан предложил королю Испании Карлу I смелый план, в котором пообещал открыть новый коммерческий маршрут в Азию. Помимо желания получить коммерческую прибыль Магеллан руководствовался, конечно, и жаждой приключений и стремлением открыть еще не ведомые никому земли. Преодолев множество препятствий (включая даже попытку саботажа со стороны агентов португальской короны), Магеллан собрал необходимые для путешествия финансовые средства, используя в том числе частные капиталовложения заинтересованных в успехе купцов. 20 сентября 1519 г., подняв паруса, он вывел свою флотилию из Севильи вниз по реке к Санлукар-де-Баррамеда, в открытое море. О чем думал Магеллан, отправляясь в далекий путь? Возможно, его чувства были схожи с теми, которые испытывали члены команды COBE при запуске своего спутника на авиабазе Ванденберг спустя 470 лет. В работе исследователей было много общего. От членов группы COBE также потребовалось терпение и упорство при наборе научного персонала, сборе финансовых средств, проектировании и создании экспериментальной установки, организации запуска спутника и, наконец, при интерпретации передаваемых на Землю данных. Оба путешествия были сопряжены с высоким риском и вдохновлялись человеческими чувствами амбиции и жажды поиска нового. Магеллану удалось совершить кругосветное путешествие, которое заставило всех пересмотреть понимание устройства нашего мира и открыло новую эру, связанную с общемировой торговлей и глобализацией. Магеллан помог создать новую карту Земли. Аналогично члены команды COBE помогли нам пересмотреть наше понимание устройства большого мира, за что члены команды Мазер и Джордж Смут были удостоены в 2007 г. Нобелевской премии по физике.

Сдвиг в нашем восприятии и понимании устройства Вселенной начался фактически раньше, из измерений спутника COBE реликтового излучения. Сама идея существования этого излучения также была предложена раньше, еще в 1940-х гг., но тогда лишь несколько человек смогли оценить ее важность и смысл. Аппаратура, используемая для экспериментальных измерений, также была создана давно, причем для совершенно иных целей. Важнейшей частью оборудования стал радиометр, разработанный для военных радаров во время Второй мировой войны в Радиационной лаборатории MIT. Созданный во время войны военно-промышленный комплекс во многом способствовал активизации множества исследований в фундаментальной науке. По мнению Хелджа Крафа, космология при этом получила особые преимущества. Однако давайте вернемся к обсуждению вопроса о начале буквально всего, то есть к проблеме начала самой Вселенной.

В ноябрьском номере 1931 г. малоизвестного журнала Revue des questions Жорж Леметр опубликовал статью «Расширение пространства» (L’expansion de l’espace), в которой писал: «Мир-атом распался на фрагменты, каждый из которых затем распался на еще более мелкие части… Эволюцию мира можно сравнить с картиной завершения фейерверка… Мы можем представить рождение космоса из первозданного атома и возникновение космоса, отмеченное началом времени». Конечно, модель расширяющейся Вселенной подразумевала огненное рождение — некий большой взрыв. Леметр также опубликовал письмо в Nature в 1931 г., в котором развил и обобщил свою теорию расширяющейся Вселенной из первозданного атома в «день, до которого не было вчера», то есть из какой-то очень плотной точки в пространстве и времени. Леметр полагал, что ученые смогут получить материальные свидетельства существования этого момента творения и что появление наблюдательного доступа к первозданной Вселенной неизбежно. Очень важно отметить, что именно в этот момент в астрономии возникло и стало все сильнее проявляться сотрудничество и взаимодействие между теоретиками и астрономами-наблюдателями, подстегнутое успешным совпадением во времени наблюдений Хаббла и теории Леметра, связанных с идеей расширяющейся Вселенной. Это стало началом синергии теории и наблюдений, приведшей к их сегодняшнему тесному взаимодействию. Сочетание наблюдений Хаббла с теоретическими воззрениями Леметра открыло новые возможности для космологических исследований вообще. До этого никто из ученых не осмеливался даже задуматься о возможностях моделирования всей Вселенной и ее эволюции, начиная от Большого взрыва. С тех пор множество физиков занялись дальнейшим развитием теории модели Большого взрыва и связанных с этим потенциально наблюдательных следствий. Модель Большого взрыва в те времена была еще далека от завершения, и, в частности, она в те годы конкурировала с теорией стационарной Вселенной, которую поддерживали Фред Хойл с коллегами. В результате этой борьбы идей возник и заметный интерес к получению новых наблюдательных данных, которые позволили сделать выбор между ними.

Одним из главных действующих лиц в описываемой истории стал Георгий Гамов, в конце 1940-х гг. преподававший в Университете имени Джорджа Вашингтона (округ Колумбия). Вместе с двумя молодыми коллегами — Ральфом Альфером и Робертом Германом — он занялся проблемой возникновения химических элементов во Вселенной на основе теории Большого взрыва. Гамов был убежден, что именно объяснение процесса рождения химических элементов может окончательно подтвердить справедливость модели Большого взрыва. Самого Гамова многие считали креативным гением, выдвигающим новые идеи и щедро делящимся этими идеями со студентами и сотрудниками. С другой стороны, Гамов (подобно Фрицу Цвикки) имел не простую личную репутацию и помимо своих блестящих научных достижений был известен несдержанным поведением и пристрастием к алкогольным напиткам, что затмевало многие его достоинства. У Гамова была богатая научная родословная, так как ранее он учился в Петроградском/Ленинградском (ныне Санкт-Петербургском) государственном университете у знаменитого физика Александра Фридмана, который когда-то первым нашел решения полевых уравнений Эйнштейна для развития Вселенной. Ранние научные работы Гамова относились к радиоактивности и эволюции звезд. Он много лет пытался покинуть СССР и в 1934 г. перебрался с женой на постоянное жительство в США. Несмотря на внушительные достижения в изучении радиоактивности и ядерного синтеза, Гамова не привлекли к выполнению самого главного национального проекта США (Манхэттенский проект по созданию атомной бомбы), хотя позднее он короткое время работал в Национальной лаборатории Лос-Аламос и участвовал в разработке водородной бомбы. Несмотря на свою противоречивую репутацию среди коллег, Гамов имел много поклонников среди представителей общественности, а в 1940-х гг. получил известность как автор бестселлеров на научно-популярные темы, включая известные книги «Раз, два, три… бесконечность. Мистер Томпкинс изучает атом» и «Мистер Томпкинс в бумажном переплете».

Примерно в 1944 г. Гамов (вместе с Альфером и Германом) занялся проблемами космической химии. Герман, незадолго до этого получивший докторскую степень в Принстоне, развивал идеи Леметра о первозданном атоме и возникновении Вселенной. Гамов искал ответы на чрезвычайно простые, но очень важные вопросы: каким образом во Вселенной стал возможным синтез всех известных нам химических элементов? Могли ли все эти элементы образоваться на самом начальном этапе ее формирования, еще до того, как во Вселенной возникли первые звезды? Гамов был убежден в справедливости модели горячего Большого взрыва и пытался найти для этой теории недостающие к тому моменту бесспорные обоснования. Поскольку уже было известно, что в зарождающейся Вселенной могут возникать водород и гелий, Гамов предположил, что все остальные химические элементы могли появиться в результате дальнейшего прироста массы за счет слияния и захвата. Восприняв эту новую методологию, Альфер и Герман попытались, исходя из современного состояния Вселенной, экстраполировать самые начальные условия возникновения, когда плотность Вселенной была очень высокой, то есть воспроизвести то ее раннее состояние, когда она содержала главным образом лишь обогащенные гелием и водородом звезды. По их расчетам, плотность Вселенной в это время была столь велика, что частицы (и их физические двойники-антиподы, то есть античастицы) могли непрерывно объединяться и разъединяться, позволяя энергии и веществу постоянно преобразовываться. При предполагаемых экстремально высоких температурах начального взрыва мог постоянно реализовываться эйнштейновский принцип эквивалентности массы и энергии (читатель сразу вспомнит знаменитую формулу Эйнштейна Е = mc²) для связи частиц и античастиц. Исходя из того что описываемая ранняя Вселенная представляла собой «суп» из неупорядоченных частиц, Альфер и Герман поняли, что это постоянное превращение массы-энергии приведет к некоторому балансу. В результате этого процесса должны конденсироваться и возникать все известные нам субатомные частицы (протоны, электроны, нейтроны, фотоны и нейтрино), а сама Вселенная — расширяться и охлаждаться.

Такое равновесие (физики называют его тепловым) обладает некоторыми необычными свойствами. Представьте себе замкнутый ящик с непрозрачными стенками, способный поглощать энергию (все формы излучения, включая свет) и вещество извне. В соответствии с законами квантовой механики такой ящик в равновесном состоянии соответствует так называемому идеальному «черному телу», а кривая распределения его излучения должна определяться лишь температурой его стенок. Гамов был первым, кто понял и оценил роль теплового излучения и термического равновесия в процессе синтеза химических элементов. Поверив в его идею, Альфер и Герман сделали следующий важный шаг в исследовании, предположив, что горячая плотная ранняя Вселенная, достигнув теплового равновесия, должна вести себя подобно черному телу. Поскольку главной характеристикой черного тела является его температура, Альфер и Герман просто оценили температуру космоса, то есть температуру Вселенной в текущий момент времени. Более того, они предположили, что, даже несмотря на расширение Вселенной, приводящее к ее охлаждению, неудаляемая «подпись» ранней, нагретой Вселенной будет сохраняться в виде излучения черного тела. Присутствие этого излучения везде определяется особой формой излучения черного тела. Черное тело остается таким всегда, даже когда остывает. Поэтому Вселенная остается чернотельной и сегодня, хотя у нее более низкая температура, чем при ее огненном начале. Температуру текущего, чернотельного, состояния Вселенной Альфер и Герман оценили в 5 °К (что соответствует –268 °C). Утверждения, что Вселенная является чернотельной и что ранняя и современная Вселенные характеризуются уникальной температурой, были замечательными. Предсказанное Альфером и Германом очень низкое значение текущей температуры Вселенной противоречило интуитивным ожиданиям, но это значение оказалось очень близко к тому, которое удалось получить при экспериментальных измерениях несколькими десятилетиями позже. При этом стоит отметить, что человеческое сознание проще воспринимает лишь гораздо более высокие температуры, так как в повседневной жизни мы легко чувствуем температуру кипящей воды или поджаренного на гриле куска мяса. С другой стороны, предложенная авторами космическая температура в 5 °К оказалась также намного ниже всех привычных представлений о холоде, то есть существенно ниже не только температуры человеческого тела (примерно 310 °К), но и температуры льда, считающегося привычным эталоном холода. Однако проблема температуры была побочной, так как исходной задачей Альфера и Германа было объяснение механизма возникновения и построения атомов из вещества первичного огненного шара. Несмотря на все усилия, им удалось решить эту задачу только частично, описав рождение всего нескольких элементов тяжелее гелия. В 1948 г. они напечатали статью в журнале Nature, где привели полученные ими оценки современной температуры Вселенной, но не сумели четко обосновать свои достижения. В их статье содержались основополагающие идеи, касающиеся ранней Вселенной, а также исправления некоторых ошибок, допущенных Гамовым в одной из предыдущих публикаций. Однако, как отмечалось чуть выше, им не удалось объяснить возникновение ни одного из существующих в природе стабильных изотопов с атомным числом более 5, хотя именно это было ключевым моментом в поставленной ими же проблеме. Несмотря на это, работа Альфера и Германа содержала много очень интересных новых результатов, включая расчет плотности вещества в расширяющейся Вселенной. Однако из-за отсутствия объяснения механизма рождения тяжелых атомов ее сочли ошибочной и неудачной. К несчастью, в результате этого предложенные ими в тексте статьи оценки и расчеты температуры космоса также были сочтены недостойными внимания или неверными.

Отношение к статье усложнялось еще и тем обстоятельством, что вычисленное авторами значение температуры космоса не совпадало даже с результатами, которые получили раньше Гамов и его сотрудники. Дело в том, что Гамов предпринял смелую попытку связать проблему возникновения элементов со своей предыдущей работой по формированию звезд и предположил, что температура Вселенной и межзвездного вещества должна лежать в диапазоне от 5 °К до 50 °К. Такая неопределенная оценка сделала предсказания Альфера и Германа еще менее значимыми. Исследователи, занятые проблемой происхождения элементов (Гамов, Альфер, Герман и их сотрудники), напечатали в 1948 г. 11 статей по этой тематике. Несмотря на внушительное число публикаций, ни в одной из статей авторам так и не удалось решить космохимическую проблему возникновения тяжелых химических элементов, а между тем за это время научное сообщество сумело забыть и упомянутые предсказания Альфера и Германа. Описанное «несчастное» стечение обстоятельств может служить наглядным примером того, какие сложности иногда возникают на пути признания радикальных научных идей до получения общего признания и какую важную роль в этом играют ненаучные факторы. Мы видим яркий пример того, что целое научное сообщество не замечало исключительно важный результат в течение более 20 лет, и как результат этого появилось несколько тщательно выполненных исследований, авторы которых пытались понять, каким образом могла произойти такая очевидная ошибка в оценке столь важных новаторских идей. Очевидно, что за давностью лет невозможно ex post facto восстановить все тонкости личных отношений между Альфером, Германом и другими их участниками, однако космолог Джеймс Пиблс попытался внимательно проследить историю всех этих связанных научных публикаций в своей подробной статье с удачным названием «Открытие горячего Большого взрыва: Что произошло в 1948 г.» (Discovery of the Hot Big Bang: What Happened in 1948). Этой истории посвящена книга Джона Мазера и Джона Бослоу «Самый первый Свет» (The Very First Light), пытавшихся глубоко вникнуть в суть событий. Все авторы попыток их реконструкции приходят к единому выводу: Альфер и Герман действительно в своей статье 1948 г. в журнале Nature смогли первыми оценить температуру реликтового излучения и идентифицировать ее в качестве температуры Вселенной.

Рассуждая умозрительно, можно легко объяснить формальными причинами тот факт, что другие ученые не заметили ценную информацию. Прежде всего, важнейшая статья Альфера и Германа формально была посвящена вовсе не температуре космоса, а образованию химических элементов в ранней Вселенной. Вследствие чего оценка этой температуры выглядела в ней лишь побочной темой, а статья не содержала рекомендаций для поиска или регистрации этой температуры или же проверки предсказываемых значений. Впрочем, если бы кто-то и обратил внимание на статью 1948 г., это не имело бы никакого практического значения, так как предсказанное значение температуры было слишком мало для экспериментальных измерений. В результате первые серьезные попытки ее измерения начались гораздо позднее. В упомянутой книге Мазера и Бослоу отмечается, что в 1948 г. такое измерение технически было уже возможно, но сопряжено с большими сложностями. Такую попытку предпринял Роберт Дикке, физик из Принстонского университета, но он сам не заметил, что был очень близок к измерению температуры Вселенной. Дикке осуществлял проект по измерению температуры черного тела для Солнца и Луны. Он увидел, что при измерениях теплового излучения возникают ошибки, связанные с влиянием земной атмосферы. Дикке и трое его коллег в 1946 г. (то есть еще за два года до «взрыва» публикаций группы Гамова, Альфера и Германа) опубликовали на эту тему специальную статью, где сообщали: уровень излучения подразумевает, что температура верхней атмосферы не превышает 20 °К (примерно –253 °C). Авторы статьи также сочли соответствующий этой температуре сигнал слишком слабым для прямой регистрации радиометром. Дикке, пытавшийся провести такие же измерения во Флориде, потерпел неудачу и вскоре вообще потерял интерес к проблеме. Так как сама идея существования некоей температуры космоса оставалась неясной в общей схеме понятий астрофизики, ее игнорировали долгое время. Кроме того, за температуру космоса зачастую принимали температуру верхней атмосферы или межзвездного вещества. Недостаток концептуальной ясности в предмете исследований также не способствовал успеху исследований. По иронии судьбы, как мы увидим ниже, именно Дикке изобрел прибор, позволивший провести важнейшие измерения!

Часть этой проблемы была связана с чрезмерной специализацией и отсутствием взаимодействия между разными научными областями астрономии и физики. Герман и Альфер занимались астрофизикой звезд, отдельной образовательной дисциплиной, которая воспринималась как мало связанная с космологией. Хельге Краг в своей книге «Космология и полемика» (Cosmology and Controversy) считает, что предлагаемые Гамовым, Германом и Альфером в разных работах противоречивые и разнообразные значения температуры Вселенной только запутали астрономов. Кроме того, оставалось неясным, имеет ли данная температура действительно космическое происхождение или она включает в себя какие-то воздействия от излучения звезд. Эта путаница в определениях и интерпретациях возникла очень давно, и, возможно даже, именно она привела к тому, что не была установлена точная дата самой первой истинной регистрации реликтового излучения, произошедшей еще до попыток Дикке. Дело в том, что, как выяснилось позднее, еще в 1941 г. температуру Вселенной измерил (не осознавая этого факта) канадский физик Эндрю МакКеллар. Он изучал так называемый углеродно-азотный цикл в качестве потенциального источника энергии в углеродных звездах и в процессе исследований обратил внимание на излучение токсичных органических соединений класса цианогенов (содержащих азот и углерод), присутствие которых было зарегистрировано в излучении хвоста кометы Галлея еще в 1910 г. Изучая спектры излучения таких молекул в космическом пространстве для выяснения их функций и происхождения, МакКеллар вдруг обнаружил, что эти ядовитые цианогены являются исключительно холодными и их температура составляет лишь 3 °К (–270 °C). На регистрацию этой странной, абсурдно низкой и кажущейся «эзотерической» температуры космоса никто не обратил никакого внимания. Краг полагает, что Герман и Альфер допустили еще одну ошибку, не обсуждая и не рассматривая вопрос о том, каким образом должна оцениваться измеряемая ими температура. Например, в своей статье 1948 г. в журнале Nature они не смогли рассчитать и представить точную длину волны, на которой космическая температура могла быть зарегистрирована. Герман и Альфер не представили даже кривую спектра излучения черного тела. Они забыли упомянуть, что космическая температура должна быть измерена в микроволновом диапазоне, и поэтому Краг считает (и я согласна с ним), что это упущение помешало экспериментально обнаружить фоновое излучение. Отсутствие указания на микроволновую область помешало астрономам соединить точки на полученных кривых. Все расчеты Германа и Альфера были проведены в контексте изложения, принятого в совершенно непривычной для астрономов области знаний (ядерной физике). Космологи просто не смогли их правильно интерпретировать.

Как уже говорилось, Герман и Альфер пытались теоретически описать процесс образования химических элементов в ранней Вселенной, и это поставило их в невыгодную позицию. Они не только не искали температуру ранней Вселенной, но на каком-то уровне сознания, похоже, и не верили, что кто-то может ее обнаружить. Найденное ими значение противоречило начальной гипотезе Гамова. Ученые поняли, что в первые несколько минут после зарождения Вселенной существовало очень узкое временно́е окно, в течение которого водород и гелий могут сливаться и образовывать более тяжелые элементы. Затем оно «закрывается» вследствие быстрого охлаждения из-за расширения Вселенной, что делает дальнейшее слияние (и образование тяжелых элементов) почти невозможным. Несмотря на публикацию ценных результатов, некоторым специалистам казалось, что авторы скорее деморализованы тем, что не могут решить поставленную перед собой фундаментальную проблему.

Можно указать также несколько других чисто практических причин, по которым важных открытий не было. Идеи Германа и Альфера не оказали должного воздействия на научную общественность и постепенно утратили значение. Ученые оставили академическую карьеру из-за капризов на этом рынке и начали работать в исследовательских лабораториях фирм General Electric и General Motors, соответственно. Герман и Альфер отдалились от научного мира и стали печататься лишь изредка, отвлекаясь от своих повседневных обязанностей по работе в компаниях. Это означало, что они больше не возглавляли исследовательские группы, занятые поиском возможностей применения открытий (эту деятельность обычно осуществляет целая армия подготовленных постдоков и студентов-докторантов, и она необходима университету для обеспечения ученому постоянной работы с гарантированным продлением контракта). Герман и Альфер оторвались от среды, где могли иметь учеников и протеже, работающих под их руководством и распространяющих их идеи, что и помогает установить своеобразную легитимность в научной деятельности. Научные идеи, подобно товарам, нуждаются в рекламе, пропаганде и распространении. Без эхо-камер, создаваемых в интеллектуальной среде студентами-выпускниками, аспирантами и постдоками, любые идеи ослабевают и отмирают. Кроме того, имело важность и то обстоятельство, что в 1940-х и 1950-х гг. многие специалисты еще сомневались в убедительности теории горячего Большого взрыва. Реликтовое излучение было сложным образом связано именно с этой моделью и фактически стало одним из ключевых доказательств ее справедливости. Так как Герману и Альферу не удалось объяснить происхождение химических элементов в контексте модели Большого взрыва, это не помогло переубедить ее хулителей.

Еще одним препятствием для полного признания справедливости модели горячей Вселенной стали проблемы оценки возраста Вселенной. Астрономы оценивали его, сопоставляя скорость расширения Вселенной с ее наблюдаемыми размерами. Измеряя скорость расширения по Хабблу, они оценивали ее возраст в 2 млрд лет, в то время как геологи уже давно обнаруживали на Земле породы на несколько миллиардов лет старше. Это создавало головоломку. Модель горячего Большого взрыва казалась неполным, если не неадекватным, описанием Вселенной. Кроме того, в теории оставался неясным и весьма каверзный вопрос о начале Вселенной, то есть о том, каким образом и почему смогли возникнуть необходимые для взрыва начальные условия.

В конце 1940-х гг. и начале 1950-х гг. с теорией горячего взрыва стала соперничать разработанная в Кембридже тремя известными учеными (Герман Бонди, Томас Голд и Фред Хойл) модель устойчивого состояния Вселенной. Она обладала некоторой философской привлекательностью. Модель содержала концепцию вечной Вселенной. Это позволяло ее сторонникам избегать обсуждения неудобных вопросов о начале Вселенной и о том, что происходило до Большого взрыва. Предсказанное Альфером и Германом чернотельное реликтовое излучение было несовместимо с положениями стационарной космологии, что также стало одной из причин того, что это излучение было забыто примерно до 1965 г.

Одним из значительных факторов потери важной идеи был общий интеллектуальный климат эпохи. Мысль об исходном взрыве, приводящем к возникновению расширяющейся Вселенной, еще просто не воспринималась в качестве серьезного научного утверждения, а к космологии вообще многие относились скептически. Это отношение объяснялось тем, что космология (в отличие от других разделов физики) не позволяла осуществлять контролируемые эксперименты, а все измерения в космических масштабах страдали от непредсказуемых ошибок. Поэтому космология не казалась научной общественности традиционной наукой. Интеллектуальное пространство космологии довольно быстро стало изменяться, причем именно случайное обнаружение реликтового излучения сильно ускорило этот процесс. И наконец, нам следует помнить, что любой идее (особенно радикальной) для созревания требуется какое-то время, чтобы сложились благоприятные условия, после чего она может быть легче воспринята научной общественностью, если данная идея верна.

Как будет рассказано ниже, это выдающееся открытие, значительно расширившее наши знания о ранней Вселенной, смогло осуществиться только благодаря счастливой случайности, причем связанной с совершенно иной областью науки. У физиков есть шутливая поговорка о том, что шум, издаваемый одним человеком, представляет собой сигнал для другого. Смысл фразы в том, что какой-то нюанс в ответе на научный вопрос может оказаться исключительно важным и неожиданным ответом на совершенно другой вопрос. В нашем случае это буквально соответствует ходу событий, поскольку первое зарегистрированное измерение реликтового излучения было сделано двумя физиками, которые вообще не занимались этой проблемой.

В 1964 г. два талантливых физика, Арно Пензиас и Роберт Вильсон, занимались настройкой рупорной антенны в местечке Крофорд-Хилл (Холмдел, штат Нью-Джерси). Физик-экспериментатор Пензиас закончил докторантуру в Колумбийском университете и уже три года работал в Bell Labs — амбициозный и проницательный ученый, легко схватывающий общую картину любой проблемы, с которой ему приходилось сталкиваться. Вильсону было 27 лет, он только что получил докторскую степень в Калтехе по теории стационарного состояния и только что присоединился к Bell Labs. Этот старательный, аккуратный, вдохновляющий и внимательный человек, с репутацией классного специалиста по аппаратуре, тщательно следил за детальным ходом исследований. В работе над докторской диссертацией Вильсон занимался картографированием Млечного Пути, используя радиоизлучение на длинных волнах. Он слабо представлял себе, с чем ему придется столкнуться при составлении полной карты космоса.

Пензиас и Вильсон использовали антенну в Крофорд-Хилл в качестве телескопа, изучая на небе источники излучения не в оптическом диапазоне, а в области радиоволн. Радиочастотное излучение представляет собой часть всего спектра электромагнитных волн (куда входит и область видимого света) с длинами волн от нескольких миллиметров до примерно десяти метров. Такие волны могут проникать в земную атмосферу и распространяться в ней без отражения и затухания. Радиоволны были открыты Генрихом Герцем еще в 1887 г., а в 1930-х гг. Карлу Янски удалось первым зарегистрировать радиоизлучение, приходящее из центра нашей Галактики при помощи длинной антенны, построенной им в Холмделе (штат Нью-Джерси). Астрономическое научное сообщество до этого пользовалось лишь оптической аппаратурой — линзами и спектрографом — и поэтому не оценило сразу новое окно во Вселенную. Однако после Второй мировой войны, когда был изобретен радар (слово «радар» представляет собой акроним английского выражения radio detection and ranging — «радиообнаружение и измерение дальности»), большое число физиков и инженеров, которые разрабатывали оборудование и обучали им пользоваться, увидели возможности нового инструмента для исследований в астрономии. Это подогрело интерес к поиску большего числа космических радиоисточников.

Телескоп в Крофорд-Хилл, на котором работали Пензиас и Вильсон, имел очень чувствительный приемник радиосигналов (соединенный через усилитель) с коммуникационной системой Echo, созданной фирмой Bell Labs в 1960 г. Система принимала сигналы, отраженные от двух больших металлических шаров, поднятых в верхние слои атмосферы, и позволяла передавать эти сигналы на большие расстояния. Ко времени, когда Пензиас и Вильсон приступили к своим измерениям, систему перестали применять по прямому назначению, так как коммуникации осуществлялись посредством спутников, а антенны радиотелескопа использовались для улавливания особо слабых сигналов, приходящих от потенциальных космических источников. Телескоп в Крофорде был настроен на частоту 4,989 МГц, что было очень удобно для измерений в микроволновом диапазоне. Для того чтобы найти и выделить предельно слабые радиосигналы, ожидаемые от еще не обнаруженных астрономических объектов на таких частотах, Пензиас и Вильсон должны были прежде всего исключить все возможные источники помех, которые могли мешать их регистрации.

Несмотря на все усилия, Пензиасу и Вильсону никак не удавалось идентифицировать и изолировать фоновые шумы, постоянно возникающие и регистрируемые их чувствительной аппаратурой. В качестве источника помех сигналов они рассматривали и изучали излучение Земли, колебания молекул в верхних слоях атмосферы, влияние работы элементов установки и даже помет двух голубей, свивших гнездо на антенне. Помехи продолжали возникать независимо от сезона и направленности антенны, что ставило исследователей в тупик. Они никак не могли выяснить причину шумов и, следовательно, не могли ничего предпринять для их устранения. Однородный в пространстве и по времени шум казался равномерно распределенным по небосводу и не имел выделенной направленности. Температурный эквивалент этого слабого радиоизлучения составлял примерно 3 °К.

Вернувшись с астрофизической конференции в декабре 1964 г., Пензиас обсудил проблему этого постоянного шумового излучения с коллегой-радиоастрономом Бернардом Берком, который показал ему статью молодого теоретика Джеймса Пиблса, работавшего в Принстоне под руководством Роберта Дикке. Родившийся в 1916 г., Дикке считался авторитетным и многосторонним исследователем, причем пользовался мировой известностью и как экспериментатор, и как теоретик, заслужив эту репутацию в годы войны, когда работал в Радиационной лаборатории MIT. Он был энергичным и красноречивым человеком, с одинаковым успехом умевшим проектировать и создавать электронные схемы и решать сложные математические уравнения. Кстати, ему почти удалось создать лазер. В 1958 г. Чарльз Таунс и его сводный брат Артур Шавлов подали патентную заявку на изобретение мазера (слово «мазер» возникло из акронима «microwave amplification by stimulated radiation», что означает «усиление микроволн стимулированным излучением»). В этой связи можно напомнить, что двумя годами раньше, в 1956 г., Дикке получил патент на очень похожее устройство, которое, однако, работало в другом диапазоне волн (инфракрасный лазер). Предложенное Таунсом и Шавловым устройство могло действовать в значительно более широком диапазоне волн, в отличие от прибора Дикке, который был ограничен инфракрасным диапазоном. Таким образом, несмотря на полученный патент в 1958 г., большая часть славы изобретения лазера не досталась Дикке. Причем этот случай не единственный в его биографии, когда он оказывался очень близко к великому открытию.

Дикке удалось независимо от других предсказать существование всепроникающего фонового микроволнового излучения, и он настойчиво вдохновлял своего протеже в Принстоне, Пиблса, на проведение дальнейших детальных расчетов в этом направлении. В контексте используемой им модели горячего Большого взрыва Пиблс рассчитал, как исходный огненный шар, из которого началась Вселенная, породил реликтовый фон радиоволн. Этот отпечаток Большого взрыва, как он считал, однородно заполнил все пространство Вселенной и приобрел устойчивую и обнаружимую температуру, равную примерно 10 °К и «даже ниже 3,5 °К». Он также отметил, что реликтовое излучение будет казаться постоянным шипением для чувствительного радиотелескопа. Пиблсу и Дикке было неизвестно о существовании расчетов и предсказаний Гамова, Альфера и Германа в публикациях 1940-х гг., так что они фактически повторно открыли реликтовое излучение.

В то самое время, когда Пензиас и Вильсон ломали голову над происхождением странных помех, регистрируемых их установкой, а Пиблс и Дикке размышляли о реликтовом излучении, в их соперничество вмешались два русских физика. Игорь Новиков и Андрей Дорошкевич прочли статьи группы Гамова, перепроверили полученные в них результаты и также сделали ряд конкретных наблюдательных прогнозов по детектированию фонового излучения, реликта Большого взрыва. Несмотря на то что они были теоретиками, им удалось оценить возможности регистрации предсказываемых слабых сигналов. В 1964 г. они опубликовали короткую статью в советском журнале «Доклады Академии наук», в которой заявили, что предсказываемый Альфером, Германом и Гамовым микроволновой радиофон может быть детектирован и что для этой цели по своим техническим характеристикам идеально подходит чувствительный радиотелескоп именно в Крофорде (Холмдел). Разумеется, как и следовало ожидать, Пензиас и Вильсон (увы) ничего не знали о статье в «Докладах», поскольку связь между учеными США и СССР в те годы была малоактивной и неэффективной. Кроме того, как обычно, сыграла свою роль и вечная вражда между теоретиками, наблюдателями и экспериментаторами.

Пензиас в это время связался с Дикке и пригласил его в Холмдел для изучения своей аппаратуры и обсуждения проблемы таинственных и постоянных помех в регистрируемых сигналах. Дикке привез с собой всю свою группу, включая двух других протеже из Принстона (физиков-экспериментаторов Питера Ролла и Дэвида Уилкинсона), которые в этот момент как раз заканчивали наладку собственного радиоприемного устройства для регистрации предсказываемого Пиблсом реликтового излучения. Следуя его теоретическим расчетам и ожиданиям, группа Дикке занялась поиском загадочного сигнала. Реликтовое излучение не обмануло их ожиданий и оказалось Розеттским камнем истории Вселенной — ключом к расшифровке тайн происхождения космоса. Не трудно вообразить, какие смешанные чувства должен был испытывать Дикке, изучая полученные Пензиасом и Вильсоном данные, так как радостное возбуждение от выдающегося открытия, должно быть, смешивалось у него с глубоким разочарованием в том, что это открытие произошло именно тогда, когда он и его группа были сами мучительно близки к успеху в разгадке этой тайны природы. Дикке сразу понял, что зарегистрированный Пензиасом и Вильсоном сигнал действительно представляет собой реликтовое излучение и является убедительным свидетельством в пользу модели горячего Большого взрыва. Однако сами Пензиас и Вильсон скептически относились к данной модели, поскольку она резко противоречила той теории стационарной Вселенной, на идеи которой они опирались в процессе всей работы. Поэтому Пензиас и Вильсон решили опубликовать в статье полученные результаты без какого-либо обсуждения теоретических вопросов. Не связанные также моделью Большого взрыва, они были счастливы доложить полученные результаты без ссылок на модель, которая все еще оставалась чуждой их точке зрения. Кроме того, осторожный Вильсон, которому модель стационарной Вселенной, по-видимому, все еще казалась привлекательной, чувствовал, что, поскольку у них пока мало экспериментальных данных, им следует в своей публикации вообще избегать рассмотрения достоинств разных моделей и ограничиться сообщением о результатах наблюдений. Их открытие сводились к регистрации одной-единственной (но самой первой) точки, лежащей на предсказанной гладкой кривой излучения черного тела для реликтового излучения.

В этих обстоятельствах группы пришли к соглашению и опубликовали сообщение об открытии одновременно в двух напечатанных одна за другой статьях. В первой Пензиас и Вильсон сообщали об открытии и публиковали полученные данные, а во второй Дикке и члены его группы описывали фоновый сигнал в качестве реликтового излучения Большого взрыва. По иронии судьбы одним из запатентованных лично Дикке устройств оказался радиометр, то есть именно тот умный электронный прибор, который позволил регистрировать сверхслабые радиосигналы и отделять их от фонового излучения. Именно этот прибор был установлен на радиотелескопе в Крофорде, где и было детектировано реликтовое излучение. Дикке подобрался исключительно близко к открытию, причем одновременно как со стороны теоретического понимания эффекта, так и со стороны его экспериментального измерения. Этот повторный трагический промах в научной карьере стал, безусловно, большим ударом для Дикке, когда в 1978 г. Пензиас и Вильсон стали нобелевскими лауреатами за открытие реликтового излучения, возникшего в момент рождения Вселенной. Конечно, если бы Дикке знал о ранней работе Альфера и Германа, он мог бы начать поиски гораздо раньше и разделил бы награду с Пензиасом и Вильсоном.

Пятница 26 марта 1965 г. оказалась судьбоносной для этих групп ученых, занятых сложными исследованиями в одной и той же области науки независимо друг от друга (но довольно близко географически, на расстоянии около 30 км). Когда в этот день они наконец встретились, никто из них не знал о существовании еще более ранних расчетов реликтового излучения, осуществленных МакКелларом, а также Альфером и Германом. Такие противоречивые ситуации всегда выглядят интригующе, и по этому поводу было высказано много умозрительных соображений («а что, если бы?..»). Открытие реликтового излучения определенно является примером события, результаты которого (при малейшем изменении начальных условий, как говорят математики) могли бы совершенно изменить судьбу многих людей, принимавших в нем участие. С интеллектуальной и научной точки зрения понятно, что более раннее открытие или обнаружение излучения позволило бы раньше обосновать модель Большого взрыва и покончить с уже изрядно надоевшей моделью стабильной Вселенной. В личном плане понятно, что созвездие нобелевских лауреатов выглядело бы совсем по-другому, а ведь Нобелевскую премию в науке можно сравнить лишь со средневековой церемонией акколада — посвящением в рыцарство.

Статья Пензиаса и Вильсона объемом в одну страницу под скромным заголовком «Измерение фоновой температуры антенны на 4080 МГц» (A Measurement of Antenna Excess Temperature at 4080 Mc/s) была опубликована 1 июля 1965 г. в Astrophysical Journal и стала одним из важнейших новаторских достижений науки XX в. После публикации отношение астрономов и астрофизиков к модели горячего Большого взрыва изменилось за одну ночь, однако Дикке эмоционально оставался верным старой модели Вселенной. Все знали, что он предпочитает теорию и модель осциллирующей Вселенной (вариант эволюции Вселенной, предложенный в 1930-х гг. космологом Ричардом Толменом из Калтеха), поскольку Дикке с философской точки зрения казалась сомнительной идея возникновения Вселенной из ничего и в единый миг времени. В противоположность этому модель осциллирующей Вселенной включает в себя циклы охлаждения и нагревания, вследствие чего возникновение излучения удобно совмещается с началом цикла расширения из некоторого горячего и плотного состояния.

Возбуждение общественности в связи с описанным замечательным открытием было столь велико, что редакция Astrophysical Journal допустила утечку информации в СМИ, в результате чего 21 мая 1965 г. на первой полосе газеты The New York Times была напечатана статья под заголовком «Сигнал свидетельствует о рождении Вселенной в результате Большого взрыва» (Signals Imply a «Big Bang» Universe). Хотя самому Дикке нравилась идея расширяющейся Вселенной с разлетающимися вдаль галактиками, напоминающая картину, которую наблюдал когда-то Хаббл, он все же предпочел бы, чтобы галактики позднее вновь как-то объединялись. Научный обозреватель Уолтер Салливан писал позднее, что «Дикке и членам его группы хотелось видеть триумф идеи осциллирующей Вселенной». Ранее, в рассказе об Эйнштейне, уже отмечалось, что некоторым людям трудно избавиться от эмоционального отношения к определенным научным идеям. Возможно, привязанность Дикке к осциллирующей Вселенной коренилась в его стремлении подтвердить то, что мы сейчас называем ключевым доказательством модели Большого взрыва. С другой стороны, для скептически относящегося к космологии Вильсона публикация отчета об истории исследования на первой странице The New York Times стала лишь доказательством более серьезного отношения общественности к космологии и к их с Пензиасом открытию реликтового излучения. Вильсон был прав: космология становилась все более зрелой наукой, постепенно превращаясь из спекулятивной, бесформенной области знаний в серьезную науку с экспериментально проверяемыми теориями.

Открытие реликтового излучения является одним из тех случаев в истории астрофизики, когда можно легко заметить недовольство исследователей обстоятельствами или просто невезением. Действительно, Альфер и Герман, первыми предсказавшие существование реликтового излучения (несмотря на некоторые допущенные ошибки), после описанной истории чувствовали себя несправедливо обойденными. Они не получили никакого признания своих заслуг. Еще раз повторю, что их невольная и частичная ошибка состояла в том, что они приняли решение опубликовать работу в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, куда астрономы и физики редко посылали для публикации свои статьи. Как можно было видеть на примере биографии Леметра, неудачный выбор малоизвестного журнала для публикации прорывного результата о расширении Вселенной препятствует его распространению и принятию. В наше время публикация результатов в журнале, пользующемся популярностью в астрономическом научном сообществе, является важным условием для восприятия новой идеи широкой общественностью. Несмотря на постоянное дробление науки на специализированные разделы, особым авторитетом пользуются материалы, публикуемые лишь в некоторых признанных изданиях. В любом случае Альфера и Германа сильно озадачил тот факт, что члены группы Дикке ничего не знали об их ранней работе. Выяснилось, что в свое время журнал Physical Review отказался принять к печати статью Пиблса с новыми расчетами, ссылаясь на то, что автор недостаточно информирован, так как он не цитировал эту раннюю работу. «Джим Пиблс знал о нашей работе, если только он не был невероятно тупым», — сказал Альфер. И далее отметил: «Пиблс получил от нас два отзыва о своей статье о фоновом излучении задолго до публикации Дикке — Пиблса — Ролла — Уилкинсона 1965 г.». Позднее выяснилось, что именно Альфер и Герман были теми рецензентами, которые отвергли предложенную Пиблсом статью. Что касается Дикке, то некоторой формой его извинения перед Альфером может служить тот факт, что его собственная работа была аналогичным образом отвергнута другими редакциями, и это было обычной практикой того времени. Такое объяснение Альфер посчитал недостаточным. Он полагал, что Дикке просто является «принстон-центричным» — то есть убежден, что «если что-то открыто не в Принстоне, то этого просто не существует». В качестве некоторой компенсации Пиблс и Уилкинсон опубликовали также статью в журнале Scientific American, в которой должным образом признавали раннюю теоретическую работу Гамова, Альфера и Германа, хотя, по мнению Пензиаса и Вильсона, она не давала еще достаточно оснований для экспериментальной проверки. Это оставило пару из Холмдела по-прежнему неудовлетворенной. Конфликты и споры о приоритете публикаций и взаимном доверии в деле об открытии реликтового излучения нанесли много душевных ран трем первым основным участникам этой драматической истории (Гамову, Альферу и Герману). Попытки возмещения их потерь были предприняты лишь спустя десятилетия. Так, 27 июля 2005 г. президент США Джордж Буш наградил Альфера Национальной медалью за научные достижения, одной из высших наград для гражданских лиц. Награда имела формулировку «За беспримерную работу в области нуклеосинтеза, за предсказание расширения Вселенной с сохранением фонового излучения и за вклад в развитие модели Большого взрыва». Тем самым президент воздал должное заслугам Альфера. Впрочем, медаль он вручил его сыну, Виктору, сам Альфер умер спустя несколько недель в возрасте 86 лет. Георгий Гамов умер в 1986 г., глубоко опечаленный тем, что его блестящие заслуги в исследовании ранней Вселенной остались неоцененными. В описанной выше истории открытия реликтового излучения Гамов является одним из самых трагических героев.

До обнаружения реликтового излучения физическое сообщество не принимало ни теории стационарной Вселенной, ни теории горячего Большого взрыва. В теории стационарного состояния Вселенной ее расширение компенсировалось необходимостью непрерывного создания вещества, так как лишь при этом условии Вселенная могла оставаться одинаково постоянной, без начала и без конца. Обе теории обладали своими преимуществами (и, соответственно, недостатками), и только открытие реликтового излучения позволило ученым вынести окончательную оценку. Теория Большого взрыва предсказывала наличие реликтового излучения, в то время как теория стационарной Вселенной не предсказывала, но и не отвергала возможность его существования, оставляя проблему нерешенной вплоть до возможного экспериментального подтверждения. Приблизительно в течение двух лет после открытия Пензиаса и Вильсона теория стационарной Вселенной впала в немилость. Хойл и некоторые другие ученые продолжали пытаться включить реликтовое излучение в улучшенные версии этой модели. Но все попытки провалились, поскольку само существование реликтового излучения было стержнем в системе доказательств, опровергавших теорию стационарной Вселенной.

Естественным продолжением открытия стало тщательное исследование реликтового излучения с целью выделить из полученных данных спектр излучения, изучить его и сравнить с предсказываемой теорией кривой излучения черного тела. Поскольку предполагалось, что реликтовое фоновое излучение чернотельно, форма кривой, описывающей распределение его полной энергии по всему диапазону длин волн, теоретически хорошо известна. Для проверки теории чернотельности требовалось провести независимые измерения для различных длин волн. Настало время выйти за рамки простого обнаружения и измерения одной точки в данных по температуре, но получить большее число экспериментальных данных с использованием более сложных и точных приборов. Поскольку сама идея о том, что реликтовое излучение является реликтом Большого взрыва со спектром черного тела, приобрела к этому времени общее признание, ученые приступили также к детальным теоретическим расчетам. Новые измерения надежно подтвердили гипотезу Большого взрыва и позволили глубже понять начальный период развития Вселенной. Общая энергия реликтового излучения превышает энергию излучения всех галактик и составляет около 99 % всего излучения, содержащегося во Вселенной.

Несмотря на успехи в моделировании ранней Вселенной, главный вопрос, поставленный с самого начала Гамовым — каким образом возникли тяжелые химические элементы, — пока остается без ответа. Сегодня мы уже понимаем, что плотный огненный шар, возникший в момент творения, то есть Большой взрыв, породивший «суп» из вещества и излучения, стал охлаждаться сразу после начала расширения Вселенной. В эту эпоху излучение доминировало над материей, то есть количество фотонов существенно превосходило число любых других частиц. Первыми из кварков сформировались протоны и нейтроны, а затем в течение трех первых минут из этих нейтронов и протонов стали образовываться ядра гелия, дейтерия и лития. Поскольку такое слияние (нуклеосинтез) требует очень высоких температур и плотности вещества (именно это обстоятельство создает одно из главных препятствий для реализации описанного процесса в лабораторных условиях), Вселенная очень быстро охладилась. Охлаждение должно сразу остановить синтез любых более тяжелых химических элементов, вследствие чего в первичной Вселенной никак не мог образоваться ни один из существующих в природе элементов тяжелее лития, седьмого элемента периодической таблицы. Похоже, именно в этом состояло упущение в расчетах Гамова, Альфера и Германа, так как тяжелые элементы природы формировались вовсе не на ранней стадии возникновения Вселенной, когда она выглядела подобно огненному шару, а гораздо позже, причем внутри звезд, природных ядерных реакторов.

Примерно через 380 000 лет после Большого взрыва положительно заряженные ядра атомов начали объединяться с электронами, образуя нейтральные атомы, что и позволило материи и излучению разделиться и существовать далее во Вселенной отдельно друг от друга. Физики называют это процессом разделения материи и излучения. Освободившись от давления, связанного с излучением, материя начала слипаться под действием сил гравитации, образуя звезды и галактики, которые мы видим сейчас. Излучение освободилось первым, что заметно на примере реликтового излучения. Это излучение заполняет всю Вселенную, и оно представляет собой снимок Вселенной спустя 380 000 лет после начала. Наблюдения спутника COBE подтвердили, что Вселенная к моменту этого разделения действительно была очень похожа на абсолютно черное тело. Точные измерения незначительных искажений реликтового излучения обеспечили поддержку теории о том, как формировались и развивались в нашей Вселенной галактики, заполненные темной материей. Поэтому измерения температуры реликтового излучения — на самом деле измерения вариаций на уровне ничтожных величин, порядка миллионных долей градуса, — содержат в себе запечатленную информацию обо всех галактиках и других структурах, которые оно прошло в своем путешествии к нам.

После публикации работы Пензиаса и Вильсона среди астрономов началась ожесточенная гонка измерений параметров реликтового излучения на других длинах волн для получения всей кривой излучения черного тела. В конце 1970-х гг. это направление стало считаться очень важной темой исследований, в результате чего многие специалисты различных организаций занялись запуском воздушных шаров с аппаратурой, предназначенной для измерения фонового излучения. Целью этих работ было получение данных о фоновом излучении, свободных от искажений, вызываемых атмосферой Земли. Например, группа исследователей из Беркли сконцентрировалась на измерении коротковолновых (2 мм и меньше) сигналов реликтового излучения, чтобы проверить, насколько точно кривая излучения совпадает со спектром абсолютно черного тела. Эксперименты с воздушными шарами понадобились для изучения спектра на некоторых сложных для измерения длинах волн. Используемая аппаратура была очень хрупкой, так как заполняемые гелием специальные шары изготовлялись из особо тонкого пластика, толщиной всего в несколько тысячных сантиметра (вследствие чего они легко рвались), а измеряющие детекторы прикреплялись снизу. Конечно, это еще не все. После всего электронные реле должны работать, а измерения необходимо передавать на землю для анализа. При этом возникло даже трансатлантическое соперничество, так как в Англии группа исследователей в Колледже королевы Марии также занималась измерениями с использованием радиометров, запускаемых при помощи воздушных шаров.

Важнейшим инструментом, который стал катализатором в открытии реликтового излучения, стал радиометр, изобретенный Дикке. Основной принцип его работы заключается в том, что ток шума, создающий тепло в резисторе электрической цепи, сам является прямым показателем температуры резистора. Поместив такой прибор в замкнутую полость и выведя наружу улавливающую излучение антенну, можно создать высокочувствительный термометр. Эту «антенную» температуру можно легко измерять, просто следя за температурой резистора, к которому антенна присоединена. Усовершенствованные варианты радиометра с 1946 г. получили широкое распространение благодаря возросшему после Второй мировой войны интересу к радиоустройствам. Именно такие радиометры были развернуты на воздушных шарах в исследованиях микроволнового космического излучения в 1960-х и 1970-х гг. Постепенно астрофизикам становилось ясно, что им необходимо зарегистрировать полный спектр излучения черного тела и что эту задачу удобнее решать в космосе, так как там отсутствуют помехи, связанные с прохождением излучения через атмосферу Земли. Подготовка к запуску спутника, специально спроектированного для регистрации реликтового излучения, началась с инициативы и соответствующего заявления НАСА, после чего в 1974 г. Мазер в числе других обратился с предложением о запуске спутника COBE. К этому времени у исследователей НАСА уже имелся опыт запуска и эксплуатации спутника Uhuru, предназначенного для проведения экспериментов с регистрацией в космосе рентгеновского излучения. Его миссия продолжалась с декабря 1970 г. до марта 1973 г. и вдохновила исследователей открыть еще одно «окно» в космос, на этот раз в области микроволнового диапазона.

Открытое Пензиасом и Вильсоном реликтовое излучение и ряд данных, полученных другими группами в ходе исследований с использованием воздушных шаров и наземной аппаратуры, дали ученым серьезные доказательства в пользу теории Большого взрыва. За 26 лет, прошедших с момента, когда спутник COBE провел первые точные измерения, было запущено еще два специально спроектированных спутника, которые уже завершили свои миссии и позволили получить более детальную картину Вселенной — слабо различимые отпечатки на спектре реликтового излучения. Первым таким спутником стал космический зонд «Зонд по изучению анизотропии микроволнового излучения» (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, WMAP, названный в честь ученика Дикке, который скоропостижно скончался в 2002 г.), а вторым был европейский спутник Planсk, названный в честь великого немецкого физика Макса Планка.

Полученные результаты позволили существенно дополнить наши знания относительно горячего Большого взрыва, а также проверить некоторые модели элементарных частиц и парадигмы, связанные с формированием общей структуры Вселенной. В настоящее время предполагается, что она возникла из-за мелких флуктуаций распределенного вещества в самые ранние эпохи. В нашей Вселенной, где доминирует темная материя, гравитация усиливает эти крошечные начальные флуктуации и неоднородности, породившие скопления массы, из которых в конечном итоге образовались первые звезды и первые галактики. Скучивание вещества и последующее слияние, которые привели к образованию галактик, оставили отпечатки в реликтовом излучении. Вариации температуры на минимальном уровне в одну миллионную долю коррелирует с распределением вещества, через которое прошло реликтовое излучение за время его длительного распространения во времени и пространстве. Миссии, которые последовали за COBE, выявили эти невероятно слабые образы горячих и холодных пятен с высокой точностью. Помимо изображений пятен реликтовое излучение содержит и другую информацию, которая подтверждает его первичное происхождение. Сейчас астрономы умеют обнаруживать и объяснять малейшие неоднородности. Реликтовое излучение оказалось чрезвычайно однородным, вследствие чего разница в значении температуры для двух измеряемых точек заметна лишь в пятом знаке после запятой. Физик Деннис Сиама предположил, что при движении Земли через реликтовое излучение должен проявляться доплеровский сдвиг (о котором говорилось выше при рассмотрении открытий Хаббла), причем сдвиг частоты должен составлять около одной тысячной, из-за чего температура излучения должна быть немного (примерно на одну тысячную) выше в направлении по курсу движения. И наоборот, позади движения температура будет ниже. Это предсказанное отклонение от однородности распределения температуры может быть измерено. Cамо реликтовое излучение в этом случае можно рассматривать в качестве своеобразного «космического эфира», заполняющего всю Вселенную. Возникающие при этом специфические вариации температуры излучения на небесной сфере были названы дипольной анизотропией. Уже в начале 1970-х гг. обнаружение дипольной анизотропии стало считаться очень важной задачей, и ее пытались решить, используя передовые технологии, которые включали наземные телескопы и воздушные шары. При таких измерениях было очень важно тщательно измерить движение Земли, потому что только тогда могли проявиться другие источники неоднородности, являющиеся ключом к построению всего космологического здания.

Предложение Мазера о проекте COBE последовало в ответ на обращение НАСА к ученым с призывом использовать новые идеи для экспериментов в космическом пространстве. Разработка и применение технически совершенного инструментария сочетались со сложностью теории, которую требовалось проверить. К тому времени уже были разработаны детальные теории формирования структур. Кульминацией стала теория формирования галактик, наблюдаемых сейчас во Вселенной. Физики Яков Зельдович и Роберт Харрисон независимым образом предсказали, что эволюция малых флуктуаций плотности вещества при формировании структур во Вселенной с доминированием холодной темной материи должна оставлять свой след на фотонах излучения, двигающихся в пространстве. Формирующиеся галактики должны были привести к малым флуктуациям температуры реликтового излучения. Такие теоретические расчеты теперь можно было с высокой степенью точности проверить в рамках теории, проработанной ранее Пиблсом. Поэтому, как только эта парадигма холодной темной материи будет подтверждена, можно делать более сложные проверяемые прогнозы. Возникла возможность описания процесса эволюции всего вещества (то есть и обычной, и темной материи) во всей его сложности и с учетом взаимодействия с пролетающими фотонами излучения с помощью численного моделирования, позволяющего затем вычислять ничтожные отклонения температуры реликтового излучения. Отметим еще раз: численное моделирование стало незаменимым и мощным средством для отбора и проверки моделей в сочетании с наблюдательными измерениями. Как и в случае с темной материей, возрастание сложности и чистой вычислительной мощности, которые были частью компьютерной революции, оказалось критически важным для высокоточных предсказаний по модели, применяемой для интерпретации спутниковых данных.

Высокочувствительная аппаратура на борту спутника COBE позволила зарегистрировать те ничтожные колебания температуры реликтового излучения, вызванные влиянием материи за время путешествия через космическое пространство. Я до сих пор живо вспоминаю, как, будучи студенткой, в маленьком, забитом публикой лекционном зале MIT слушала на семинаре в 1989 г. доклад Джорджа Смута, главного исследователя программы дифференциального микроволнового радиометра, установленного на борту спутника COBE. Полученные результаты внушали благоговение. Данные со спутника COBE настолько точно ложились на гладкую теоретическую кривую излучения черного тела, что на рисунке ошибки измерения оказывались меньше толщины линии, прочерченной принтером. Физики пребывали в эйфории, а каждая крупная газета сообщала об открытии торжественными заголовками. Например, в The New York Times статья была озаглавлена так: «Ученые сообщают о глубоком понимании того, как начиналось время» (Scientists Report Profound Insight on How Time Began); или в лондонской The Independent: «Как начиналась Вселенная?» (How the Universe Began).

После открытия и измерения характеристик реликтового излучения космология, которую давно уже тревожили серьезные неопределенности в описании самых важных параметров и свойств Вселенной, таких как ее возраст и постоянная Хаббла, стала точной наукой. До миссии спутника COBE (и последовавших за ним спутников WMAP и Planck) космология имела репутацию спекулятивной и даже считалась несколько незрелой по сравнению с другими областями физики, такими как физика элементарных частиц, где уже давно использовались развитые количественные методы исследований, а вычисления с точностью до 14-го знака после запятой стали привычными. Запуск COBE ознаменовал начало эры точной космологии и ее превращение в уважаемую область знаний. К этому же времени — 1980-е и 1990-е гг. — в космологии наладилось плодотворное синергетическое взаимодействие между теоретиками и астрономами-наблюдателями.

Космологи не могут, конечно, манипулировать в лабораториях с объектами своих исследований. Однако, несмотря на это принципиальное ограничение — неспособность осуществлять контролируемые эксперименты, космология после измерений реликтового излучения заслужила легитимность в качестве количественной науки. Ее развитие привело к взрывному росту высокоточных данных о начальном периоде развития Вселенной, которые позднее были дополнены данными, полученными с использованием аппаратуры, установленной на спутниках WMAP и Planck. Разрешающая способность приборов спутника WMAP, запущенного в 2001 г., была в 30 раз выше, чем у приборов спутника COBE, а у приборов спутника Planck (2009) она возросла еще в 2,5 раза в дополнение к увеличению числа частотных каналов с повышенной чувствительностью. Наши познания о тонкостях взаимодействия вещества и излучения в истории космоса после запуска спутника Planck будут расти феноменально. В настоящее время границы исследования реликтового излучения лежат в области поляризации. Поляризация волн излучения означает свойства волн, подобно свету, колебаться более чем в одном направлении.

Читатель может вспомнить известный в физике фокус с исчезновением лампы или другого источника света при рассмотрении через поляризационный фильтр. Яркий источник перестает быть видимым при повороте поляризационного фильтра на 90°, так как блокируется свет, поляризованный в одном направлении. Поляризация наблюдается даже в диапазоне микроволнового и рентгеновского излучения. Невероятно, но поляризационные свойства реликтового излучения могут быть измерены, и именно эти измерения стали сейчас наблюдательным вызовом на границе исследований. Измерения этих отпечатков смогут рассказать нам много больше о младенческой жизни Вселенной.

Как уже отмечалось выше, новые идеи и задачи потребовали развития и дальнейшего совершенствования измерительных приборов. Необходимость специальных навыков и опыта для выполнения таких, более сложных, измерений реликтового излучения повлияла на профессиональную структуру и повседневную практику космологических исследований. Как отмечает историк науки Питер Галисон, разделение труда в физике элементарных частиц уже привело к созданию новых профессиональных «зон занятости», которые переопределили процедуру экспертизы. Исследования реликтового излучения в космологии также привели к созданию таких зон между теорией, разработкой оборудования и экспериментом. Чтобы выполнить миссии по изучению реликтового излучения, потребовалось сотрудничество трех различных сообществ: инженеров, которые создавали инструменты, ученых, обрабатывавших измерения, и теоретиков, которые интерпретировали данные. Этот процесс начался давно, еще с тех времен, когда Дикке и его команда в Радиационной лаборатории MIT сами стали представлять такую необычную рабочую зону — необычную как в смысле поиска знаний, так и в смысле взаимодействия специалистов в одном физическом пространстве из ранее разделенных частей научного сообщества, начавших работать совместно. Как я упоминала выше, период с 1980-х гг. по 1990-е гг. стал в космологии новой стадией интеллектуального развития вследствие появления новых приборов, приводящих к новому разделению работы в процессе исследования. Галисон отмечает, что существование упомянутых «зон занятости» изменило не только практику проведения научной работы, но также и сам характер создания и обсуждения возникающих новых научных идей и предложений.

Уровень сложности используемой аппаратуры к этому времени настолько возрос, что дискуссии и сопротивление сторон перестали быть решающими факторами в борьбе или столкновении научных идей. Это справедливо и для космологии и объясняет, почему характер сопротивления научного сообщества, описанный в данной главе, настолько принципиально отличается от истории с черными дырами, связанной с противостоянием между Чандрой и Эддингтоном, или от развития идеи расширяющейся Вселенной, когда Эйнштейн наконец признал наблюдения Хаббла.

К 1990-м гг. уже трудно было представить, что простой клерк из патентного бюро, далекий от академической деятельности, смог стать признанным гением науки. Сейчас ученые — часть профессиональных кадров, которые получают стандартизованное образование, устоявшееся в течение XX в. Чувство удивления и любопытства теперь реализуется в частной работе среди членов большой команды. Такое изменение процесса возникновения научного знания вовсе не означает окончание споров и борьбы идей, просто вместо этого они принимают иной характер и выражаются по-новому. Сейчас эта борьба чаще сводится к обсуждению деталей обработки или калибровки данных, а также к тщательному изучению возможных причин ошибок измерения. Поскольку исследования в настоящее время проводятся большими группами ученых, столкновения между сотрудниками приобретают скорее ритуальный характер, хотя слава, заслуги и похвалы по-прежнему на кону.

В качестве примера можно рассмотреть протекавшие недавно дискуссии, связанные с заявленным измерением поляризационного сигнала реликтового излучения. WMAP увидел первые намеки на поляризацию. Сейчас возникла проблема более точного измерения силы и значимости сигнала, где учитывались бы все источники ошибок, которые могли бы его изменить. В марте 2014 г. команда для изучения внегалактической поляризации фонового излучения BICEP (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization), проводившая точные измерения поляризации реликтового излучения с помощью радиотелескопа, установленного на Южном полюсе, объявила о своем драматическом открытии. Она созвала пресс-конференцию, где доложила об измерении сигнала с очень высокой степенью достоверности. Но картинка вихревой поляризации, наблюдаемой в реликтовом излучении, могла легко загрязниться пылью, с которой оно столкнулось в нашей собственной Галактике. С заявлением не согласились другие члены научного сообщества, вследствие чего команде BICEP пришлось объяснять, каким образом им удалось откорректировать сложное воздействие пыли в нашей Галактике, представляющей собой последнее «сито» на пути прохождения реликтового излучения перед его измерением. Характеристики свойств этой галактической пыли и ее влияния на измеренную поляризацию были поставлены под сомнение, особенно теоретиками Принстона. Основываясь на наследии Дикке, Принстон по-прежнему остается оплотом науки о реликтовом излучении. Понимание эффектов воздействия космической пыли на излучение имеет важнейшее значение для описания поляризации сигнала и решения главного вопроса: возникла ли поляризация в самой ранней Вселенной или она отражает лишь воздействие пыли на сигнал в нашей собственной Галактике? В современном мире, объединенном глобальной связью, дискуссия протекала публично. Это стало новым начинанием для космологии. Все вопросы, раньше обсуждавшиеся, как описывалось выше, на специально созываемых встречах или конференциях при закрытых дверях, стали рассматриваться открыто и публично в интернете в социальных сетях без регулярной и структурированной системы. Решения, которые раньше принимались и публиковались лишь после достижения экспертами консенсуса, сейчас обсуждаются всей научной общественностью. Процесс обсуждения стал прозрачным и легко наблюдаемым, как поведение рыбок в аквариуме. Беспорядочность научного процесса обнажилась. Мнение в сообществе космологов разделилось: является ли такое новое развитие полезным или вредным для интеллектуальной строгости? Конечно, в описанной выше ситуации с группой BICEP решение проблемы оказалось простым, так как получаемые со спутника Planck данные решили вопрос. Эксперимент BICEP переоценил уровень достоверности измерения поляризации. Дьявол заключался в пыли или, говоря об этом случае, в деталях систематических ошибок при оценке роли пыли, которая привела к ложному сигналу?

Я верю, что открытые дискуссии и здравая критика всегда полезны. Такой подход позволяет лучше понять, как делается наука, и разрушает ошибочное представление о том, что научное исследование является ясным и объективным способом получения истинных сведений о тайнах природы. Этот подход позволяет понять, что научные теории всего лишь временные гипотезы, которые научное сообщество должно подвергать тщательной проверке на истинность и возможность воспроизведения результатов. Кроме этого, он позволяет понять, каким образом в современном мире фундаментально изменяется сам процесс возникновения, оценки и признания новых радикальных научных идей.