Доказательства теории Вселенной

Вернемся к Эдвину Хабблу и расширению Вселенной. Хаббл был наблюдателем, он собирал доказательства и хотел, чтобы теории строили теоретики.

Вообще, расширение Вселенной было предсказано и обосновано Александром Фридманом; этим же вопросом занимался Жорж Леметр. Теорию расширяющейся Вселенной он разработал независимо от Фридмана. Во время визита в США он познакомился с исследованиями Хаббла и Слайфера по красному смещению галактик и в дальнейшем опубликовал свое объяснение этого явления. Леметр отождествлял наблюдаемое спектроскопически разбегание галактик с расширением Вселенной. Он также говорил и о расширении «в обратном направлении», будто прокручивал пленку назад: размер Вселенной сжимается, она становится меньше и меньше, галактики соединяются и уменьшаются, процесс идет быстрее и быстрее, пока не достигает состояния, которое он называл «первичным», или «первозданным атомом», с которого все и началось. Теория эволюции Вселенной, начиная с этого самого атома, и есть теория Большого взрыва.

Выше я рассказал о двух основных теориях, связанных с Вселенной: теории Большого взрыва, которая признается уже почти сто лет, и теории стационарной Вселенной, которая теперь почти не имеет последователей. Ученые всего мира искали доказательства для подтверждения той или другой модели. В частности, этим занимался канадский и американский физик Джим Пиблс, работающий в области теоретической космологии, и американский физик Роберт Дикке, интересы которого лежали в сфере астрофизики, атомной физики, космологии и гравитации.

Джим Пиблс, канадский физик-теоретик (род. в 1935)

Пиблс и Дикке совместно занимались вопросом физического состояния ранней Вселенной и предсказали существование реликтового излучения. Одновременно с ними это сделали Андрей Дорошкевич и Игорь Новиков, которые проводили исследования электромагнитных фонов Вселенной. После того как Дикке вместе с Питером Роллом и Дэвидом Уилкинсоном занялись конструированием радиометра для проверки предсказания, они с удивлением узнали, что их опередили Арно Пензиас и Роберт Вильсон, занимавшиеся проблемой уровня шумов. Группа Дикке работала в Принстонском университете, а Пензиас с Вильсоном в Bell Labs, крупной американской, а в настоящее время франко-американской корпорации и исследовательском центре в области телекоммуникаций, электронных и компьютерных систем, всего в нескольких милях от них! Группа Дикке провела независимые измерения и подтвердила существование фона, а также дала теоретическое объяснение результата Пензиаса и Вильсона и фактически перевела физику ранней Вселенной из разряда спекуляций в экспериментальную науку.

Дикке с Пиблсом познакомились в Принстонском университете. Пиблс занялся космологией в период обучения в аспирантуре. Он был лучшим студентом-физиком в Манитобском университете, Канада, но, оказавшись в Принстоне, понял, что мало знает физику, несмотря на высокие оценки и награды. Получив приглашение, он стал членом группы, собиравшейся по пятницам на чердаке над физической лабораторией. В нее входили студенты старших курсов, аспиранты, сотрудники университета. В этой неформальной обстановке за пивом и пиццей обсуждались важные для мировой науки вопросы. Называли они себя «Птицы Дикке».

После того как Дикке узнал, как Пиблс пытался провести собственное исследование, чтобы определить для себя, какой все же является Вселенная, он предложил Пиблсу поучаствовать в практических экспериментах его группы, в частности по измерению температуры Большого взрыва, и поработать с радиоволнами, которые, как известно, отличаются от видимого света только частотой. К этому времени Пиблс уже хорошо изучил труды Эйнштейна, Леметра и Фридмана – с упором на то, что касалось Вселенной. Что она собой представляет? Что говорит теория относительности о форме Вселенной? Чтобы упростить математические вычисления, Эйнштейн предположил, что распределение материи во Вселенной гомогенно, или однородно – то есть она единообразна. Независимо от Эйнштейна Жорж Леметр и Александр Фридман сделали то же предположение и добавили к нему еще одно: Вселенная изотропна – едина во всех направлениях, свойства физических объектов от направления не зависят. То есть: в какую сторону вы бы ни посмотрели, все будет выглядеть одинаково. В дальнейшем, с появлением теории стационарной Вселенной, появилось еще одно предположение: Вселенная однородна и изотропна не только в пространстве, но и во времени. То есть она будет выглядеть одинаково в любом направлении, независимо от того, где вы в ней находитесь и в какое время.

Пиблс специально посетил лекцию, посвященную теории стационарной Вселенной, но пришел к выводу, что сторонники этой теории все выдумали. Он считал, что Вселенная не может быть однородной, будь то в пространстве или времени – и уж тем более в пространстве и времени одномоментно. Он посчитал такую модель несерьезной и согласился с ее критиками, которые утверждали, что она была придумана как относительно простая математическая модель, а не для отражения даже известной на тот момент реальности.

Роберт Дикке, американский физик и космолог (1916–1997)

Почему вообще кто-то считает Вселенную простой? Вселенную из всего, что есть на свете? С другой стороны, многие серьезные ученые предпочитают следовать принципу, предложенному францисканцем, философом-схоластом и логиком Уильямом Оккамом (1285–1349) еще в XIV веке: вначале следует проверить простейшие предположения и усложнять их только по мере необходимости. Поэтому предположение Эйнштейна об однородной Вселенной было вполне логичным, но недостаточным, чтобы служить основой науке, дающей предсказания, которые в свою очередь ведут к наблюдениям, а на основе этих наблюдений делаются выводы.

Отношение к делу Пиблса и Дикке совпали. Дикке написал статью в American Journal of Physics (Американский физический журнал), посвященную космологии, где заявил, что корни космологии уходят в философские размышления, но постепенно она превращается в физическую науку. Однако наблюдений пока еще мало, чтобы служить ее основой, и поэтому философские размышления продолжают играть важную роль, а иногда и доминируют. Пиблса привлекла возможность поучаствовать в сборе данных наблюдений, которые должны служить основой науки. Тем временем Ролл и Уилкинсон построили радиоантенну. Они хотели заниматься космологией научным путем.

Конструкция вращающейся 14-метровой радиоантенны и ресивера Карла Янски, 1929

Уже в конце XIX века ученые говорили о том, что радиоволны должны излучаться и небесными телами. Первый намек на то, что радиоволны могут оказаться новым способом, помогающим увидеть Вселенную, относится к 1930-м годам. Это было одним из случайных открытий, сделанных в Bell Labs. В 1932 году один из инженеров пытался избавить трансатлантическую радиотелефонную связь от странного шума и пришел к выводу, что этот шум происходит от звезд Млечного Пути. Новость попала на первую страницу «Нью-Йорк Таймс», а затем была благополучно забыта. И только после Второй мировой войны использование радиоволн для изучения астрономии стало широко распространенным явлением.

Годом рождения радиоастрономии считается 1931 – в этом году Карл Янски (1905–1950), американский физик и радиоинженер, начал свои эксперименты. Он же считается основоположником радиоастрономии – науки, которая исследует небесные тела по их радиоизлучению. Но Янски выступил с заявлением только в декабре 1932 года: сообщил об открытии радиоизлучения космического происхождения. Первым был обнаружен самый сильный радиоисточник непрерывного излучения в центре Млечного Пути.

Радиоастрономия привела к значительному развитию астрономии в целом, особенно после открытия нескольких новых классов объектов, включая пульсары, межзвездный газ, квазары и радиогалактики, а также реликтовое излучение.

И Дикке, и Пиблс предполагали, что радиоастрономия позволит увидеть то, что невозможно обнаружить с помощью оптической астрономии. Наземные радиоастрономические наблюдения могут проводиться в диапазоне длин волн от 1 мм до 30 м, более короткие и более длинные волны поглощает атмосфера.

Отмечу, что вскоре после эксперимента в Принстоне разрешающая способность радиоастрономических инструментов превысила возможности оптических телескопов. А компания из Принстона сосредоточила свое внимание на самых длинных волнах, потому что их отличает самая низкая энергия – та самая, которой должно обладать излучение, охлаждавшееся почти с самого начала времен до наших дней.

Пиблс работал, взяв за основу нынешнее состояние Вселенной (то есть состояние на момент проведения эксперимента), и двигался назад к первобытному состоянию. В настоящее время Вселенная на три четверти состоит из водорода, самого легкого элемента: в атоме водорода один протон. Чтобы такое количество водорода сохранилось до наших дней, в самом начале должно было существовать очень сильное излучение, потому что только невероятно горячая среда могла достаточно быстро спечь атомные ядра, не позволив отдельным протонам соединиться с другими субатомными частицами для формирования гелия и других более тяжелых элементов. По мере расширения Вселенной и увеличения объема ее температура падала. Поэтому, имея данные о сегодняшнем процентном содержании водорода, можно выяснить, насколько сильным было излучение в самом начале существования Вселенной, рассчитать, как она с тех пор расширилась и насколько упала температура.

Но радиоантенна температуру не измеряет, по крайней мере, непосредственно. Температура предмета определяет движение электронов – чем она выше, тем больше движения. Движения электронов в свою очередь производят радиошумы – чем больше движения, тем больше шума. Поэтому интенсивность шума может сказать о силе движения электронов, а это даст температуру предмета – или эквивалентную температуру радиошума.

В ящике со светонепроницаемыми стенками единственным источником радиошума будут движения электронов в стенках. Если в ящик-Вселенную поставить радиоприемник, то интенсивность атмосферных помех даст эквивалентную температуру стен «Вселенной» – реликтовое излучение.

Что это такое? Это фоновое космическое излучение, спектр которого близок к спектру абсолютного черного тела с температурой около 3К. Происхождение реликтового излучения в настоящее время связывают с эволюцией Вселенной, которая, как считают сторонники теории Большого взрыва, в самом начале имела очень высокую температуру и плотность излучения. Реликтовое излучение наблюдается на волнах от нескольких миллиметров до десятков сантиметров. Оно практически изотропно.

В 1964 году Пиблс взялся за определение температуры реликтового излучения – эквивалентной атмосферным помехам, которые будет определять антенна, изготовленная Роллом и Уилкинсоном. А те двое стали усовершенствовать радиометр, изобретенный Дикке во время Второй мировой войны, когда он в Массачусетском технологическом институте изготовил прибор для определения чувствительности радаров.

Тем временем Арно Пензиас и Роберт Вильсон занялись изучением радиоволн от звезд не в центре Млечного Пути, как делали все до них и куда смотрело большинство астрономов, а в другом направлении, на его крае. Практически одновременно Пиблс и Пензиас с Вильсоном пришли к похожим выводам с помощью своих антенн. Хотя полностью данные наблюдений и расчетов не совпали, они были близки.

Две группы – четверо из Принстонского университета и двое из Bell Labs (Пензиас и Вильсон) – обсудили свои находки и решили публиковать две статьи в Astrophysical Journal (Астрофизическом журнале). Но до того как вышли их статьи, репортер «Нью-Йорк Таймс», имевший контакты в «Астрофизическом журнале», опубликовал ставшую весьма популярной статью «Сигналы подразумевают Вселенную Большого взрыва».

Первооткрыватели реликтового излучения, американские ученые Арно Пензиас и Роберт Вильсон. Год открытия – 1964.

В конце концов данные по температуре реликтового излучения – 3К – совпали. Добавлю, что занимались этим не только упомянутые ученые. Еще в 1948 году Ральф Альфер и Роберт Херман рассчитали, что остаточное (реликтовое) излучение от ранее горячей Вселенной в настоящее время составляет около 5К, то есть на 5 градусов выше абсолютного нуля, но астрономы того времени заявили, что определить и подтвердить их расчеты с имеющейся на тот момент техникой невозможно. В 1964 году похожие расчеты сделал Фред Хойл, сторонник теории стационарной Вселенной и отец термина «Большой взрыв» совместно с британским астрономом Роджером Тайлером. На цифре 3К ученые сошлись в декабре 1965 года.

Своим существованием реликтовое излучение подтверждает теорию Большого взрыва и модель горячей расширяющейся Вселенной. При расширении Вселенная остывает, поэтому длина волны реликтовых фотонов должна возрастать: в настоящее время регистрируется фон с температурой 2,725 К, что соответствует миллиметровому диапазону. Доказательства позволили сделать выбор между теорией Большого взрыва и стационарной Вселенной, ведь до 1964 года обе теории основывались не на наблюдениях и математических расчетах, а больше на рассуждениях и предположениях. Но неужели когда-нибудь наша Вселенная остынет окончательно?