Черные дыры и вселенная - Игорь Новиков

О дальнейшем Р. Вилсон говорит: «Мы договорились об одновременной публикации двух писем в „Астрофизическом журнале“: одного из Принстона о теории и другого из лабораторий „Белл“ о наших измерениях избытка антенной температуры. В нашем письме Арно и я не должны были касаться любого обсуждения космологической теории происхождения фонового излучения, поскольку мы не участвовали в этой работе. Однако мы считали, что результаты наших измерений не зависят от теории и представляют самостоятельный интерес. Тем не менее нам было приятно, что тайна шума, появляющегося в нашей антенне, среди всех прочих объяснений может быть связана с таким важным космологическим явлением. Однако наше настроение в этот период можно было назвать осторожным оптимизмом».

Эти статьи были опубликованы летом 1965 года.

Первые наблюдения А. Пензиаса и Р. Вилсона показали, что температура реликтового излучения составляет около 3 градусов Кельвина.

В последующие годы многочисленные измерения были проведены на различных длинах волн — от десятков сантиметров до долей миллиметра.

Наблюдения показали, что спектр реликтового излучения соответствует формуле Планка, как это и должно быть для излучения с определенной температурой. Эта температура примерно равна 3 градусам Кельвина.

Так случайно было сделано замечательное открытие нашего века, доказывающее, что Вселенная в начале расширения была горячей. За это открытие А. Пензиасу и Р. Вилсону была присуждена в 1978 году Нобелевская премия по физике.

Почему реликтовое излучение не открыли раньше?

Вернемся теперь к проблеме, относящейся к истории науки, но которой живо интересуются и специалисты — физики и астрофизики. В своей книге «Первые три минуты» известный американский физик С. Вайнберг пишет следующее: «Я хочу попытаться разрешить здесь историческую проблему, которая в равной степени представляется мне загадочной и поразительной. Обнаружение в 1965 году фона космического микроволнового излучения (так иногда называют реликтовое излучение. — И. Н.) было одним из самых важных научный открытий двадцатого века. Почему оно произошло случайно? Или, другими словами, почему не было систематических поисков этого излучения задолго до 1965 года?»

Напомним, что само предсказание существования во Вселенной излучения с температурой несколько градусов было сделано в конце 40-х — начале 50-х годов — за 15 лет до открытия А. Пензиаса и Р. Вилсона.

Может, все дело в том, что тогда не было достаточно чувствительных радиотелескопов, способных его обнаружить? Мы увидим далее, что это, по-видимому, не так. Такого же мнения придерживается и С. Вайнберг. Но дело даже не в этом.

В истории физики много примеров, когда предсказание нового явления делалось задолго до появления технических возможностей его обнаружения. И тем не менее, если предсказание было обоснованным и важным, то физики всегда о нем помнили. Когда появлялись возможности — предсказание проверялось. С. Вайнберг приводит пример предсказания в 30-е годы существования антипротона — античастицы ядра атома водорода. Тогда физики не смели и мечтать о возможности обнаружить его в эксперименте. Но в 50-е годы, когда появились соответствующие возможности, был построен специальный ускоритель в Беркли для проверки этого предсказания.

Однако до середины 60-х годов радиоастрономы даже не знали о реликтовом излучении и о возможности его обнаружения.

Почему так получилось?

С. Вайнберг называет три причины. Первая — это то, что теория горячей Вселенной создавалась Г. Гамовым и его сотрудниками для того, чтобы объяснить распространенность в природе всех химических элементов их синтезом в самом начале расширения Вселенной. Это оказалось неверным, как мы уже говорили в предыдущем разделе, — тяжелые элементы синтезированы в звездах. Только самые легкие элементы ведут свое происхождение с первых мгновений расширения. Были в первых вариантах теории и другие некорректности. Потом все это было исправлено, но в конце 40-х и в 50-е годы неточности подрывали доверие к теории в целом.

Вторая причина — плохая связь между теоретиками и экспериментаторами. Первые не представляли, может ли реликтовое излучение быть обнаружено с помощью имеющихся наблюдательных средств; вторые не слышали о том, что такое излучение следует искать.

Наконец, третья причина психологическая. Физикам и астрофизикам было очень трудно поверить, что расчеты, относящиеся к первым минутам с начала расширения Вселенной, действительно соответствуют истине. Уж очень велик был контраст между промежутками времени — несколько первых минут и десятки миллиардов лет, отделяющие ту эпоху от нашей.

Еще одну причину, на мой взгляд самую важную, указывает А. Пензиас в своей лекции, прочитанной при вручении Нобелевской премии. Дело в том, что в первых работах Г. Гамова и его сотрудников и в последующих работах, хотя и было сказано о наличии реликтового излучения, но не было указано, что его можно хотя бы в принципе обнаружить. Боле того, Г. Гамов и его коллеги, по-видимому, считали, что это сделать вообще нельзя! Вот что говорит А. Пензиас: «Что же касается обнаружения реликтового излучения, то, по-видимому, они считали, что в первую очередь это излучение проявит себя как увеличение плотности энергии. Этот вклад в приходящий на Землю общий поток энергии должен быть замаскирован космическими лучами и суммарным оптическим излучением звезд. Обе эти составляющие имеют сравнимые плотности энергии. Мнение о том, что действия трех составляющих с приблизительно равными энергиями нельзя разделить, можно найти в письме Г. Гамова, написанном Р. Альферу в 1948 году (не опубликовано: любезно представлено мне Р. Альфером): „Температура космического пространства, равная 5°K, объясняется современным излучением звезд (С-циклы). Единственно, что мы можем сказать, это то, что оставшаяся от исходного тепла Вселенной температура не выше 5°K“. Они, по-видимому, не осознавали того, что своеобразные спектральные характеристики реликтового излучения должны выделять его среди других эффектов».

В следующем этапе этой истории довелось участвовать мне самому. Получилось так, что начало моих занятий физической космологией пришлось на первую половину 60-х годов, незадолго до открытия реликтового излучения. Я тогда только что закончил аспирантуру Московского университета под руководством А. Зельманова. Мой учитель интересовался главным образом механикой движения масс в космологических моделях без упрощающих предположений об их однородном расположении. Его меньше интересовали вопросы конкретной физики процессов в расширяющейся Вселенной. О теории горячей Вселенной я тогда почти ничего не знал.

Незадолго до окончания аспирантуры я заинтересовался следующим вопросом. Мы знаем, как изучают галактики разных типов на разных длинах волн электромагнитного излучения. Если задаться определенными предположениями об эволюции галактик в прошлом и учесть покраснение света от далеких галактик из-за расширения Вселенной, то можно рассчитать, сколько излучения от галактик на каждой длине волны будет сегодня во Вселенной. При этом надо учитывать, что светят не только звезды, многие галактики интенсивно излучают радиоволны метровой и дециметровой длины.

Я принялся за соответствующие расчеты. К тому времени, закончив аспирантуру, я пришел работать в группу академика Я. Зельдовича, где прежде всего интересовались именно физикой процессов во Вселенной.

Все расчеты были выполнены вместе с А. Дорошкевичем. В результате мы получили расчетный спектр излучения от галактик, то есть того излучения, которое должно заполнять сегодняшнюю Вселенную, если учитывать только излучение, родившееся, когда возникли галактики и стали светить звезды. В этом спектре излучения очень интенсивна должна быть область метровых радиоволн (так как радиогалактики сильно излучают такие волны) и область видимого света (звезды дают его очень много), а в области сантиметровых, миллиметровых и еще несколько более коротких электромагнитных волн излучение должно быть пониженным.

Так как в группе, в которой мы работали (а тогда она состояла всего из трех человек — нашего руководителя, А. Дорошкевича и меня), усиленно обсуждались варианты горячей и холодной Вселенной, то в статье, которую мы с А. Дорошкевичем подготовили для печати, мы к излучению галактик добавили гипотетическое излучение, оставшееся от ранней Вселенной, если она в действительности была горячей. Это излучение горячей Вселенной должно иметь длины волн порядка сантиметров и миллиметров и приходилось как раз на ту область длин волн, где излучение от галактик понижено! Поэтому реликтовое излучение (если Вселенная была горячей!) в этой области длин волн должно во многие тысячи и даже миллионы раз превышать излучение известных источников во Вселенной.