Брайан Грин - Скрытая реальность. Параллельные миры и глубинные законы космоса
Всё так, но важно сделать одно предостережение. Хотя электрически заряженные частицы больше не отбрасывают фотоны то туда, то сюда, частицы света оказались подвержены другому важному воздействию. При расширении пространства содержимое становится более разреженным и остывает, в том числе и фотоны. Однако, в отличие от частиц материи, фотоны не замедляются при остывании; являясь частицами света, они всегда летят со световой скоростью. Вместо этого при остывании колебательные частоты фотонов уменьшаются, что приводит к изменению цвета. Фиолетовые фотоны становятся голубыми, затем зелёными, жёлтыми, красными, после чего становятся инфракрасными (как те, что видны в приборе ночного видения), затем микроволновыми (как те, что разогревают пищу в микроволновой печи) и, наконец, становятся радиоволнами.
Гамов впервые понял, а Альфер и его соавтор Роберт Герман тщательным образом проделали вычисления, что если теория Большого взрыва верна, то пространство должно быть повсеместно наполнено остаточными фотонами с момента рождения Вселенной, разлетающимися во всех возможных направлениях. Колебательные частоты остаточных фотонов определяются тем, насколько Вселенная расширилась за последние миллиарды лет с момента их высвобождения. Подробные математические вычисления показали, что фотоны должны были остыть почти до абсолютного нуля и иметь частоты в микроволновой части спектра. По этой причине они называются космическим микроволновым фоновым (реликтовым) излучением[8].
Не так давно я перечитывал статьи Гамова, Альфера и Германа конца 1940-х годов, в которых были анонсированы и объяснены эти выводы. Эти статьи являются жемчужинами теоретической физики. Техническая сторона дела вряд ли требует подготовки выше уровня знаний первокурсников, в то время как получаемые результаты — выдающиеся. Авторы пришли к выводу, что мы целиком и полностью окружены реликтовыми фотонами, завещанными нам с момента бурного рождения Вселенной.
Теперь можно только удивляться, почему эти статьи остались незамеченными. Это произошло в основном потому, что они были написаны в тот период, когда в науке доминировали квантовая и ядерная физика. Космологии ещё предстояло стать точной наукой, и поэтому физическое сообщество было менее восприимчиво к тому, что, как казалось, лежало на периферии теоретической мысли. Не в последнюю очередь судьба этих статей объясняется необычным шутливым стилем самого Гамова (как-то раз он изменил авторство одной из статей, написанной совместно с Альфером, и включил туда своего друга, будущего нобелевского лауреата Ганса Бете, только для того, чтобы в заголовке стояло Альфер, Бете, Гамов, что звучало как первые три буквы греческого алфавита), это привело к тому, что некоторые физики воспринимали его не так серьёзно, как он того заслуживал. Как они не старались, Гамов, Альфер и Герман так и не смогли заинтересовать кого-либо в своих результатах, не говоря уж о том, чтобы убедить астрономов направить значительные усилия на поиск предсказанного ими реликтового излучения. Статьи были быстро забыты.
В самом начале 1960-х годов, ничего не зная о более ранних работах, принстонские физики Роберт Дикке и Джим Пиблс, путём похожих рассуждений, пришли к такому же выводу: Большой взрыв должен был привести к вездесущему фоновому излучению, наполняющему пространство.{15} Однако, в отличие от группы Гамова, Дикке был известным экспериментатором, и ему не надо было никого убеждать начать экспериментальные поиски. Этим он мог заняться и сам. Вместе со своими студентами Давидом Вилкинсоном и Питером Роллом Дикке разработал экспериментальную схему обнаружения реликтовых фотонов, оставшихся после Большого взрыва. Но прежде чем принстонские учёные приступили к осуществлению своих планов, прозвучал один из наиболее знаменитых телефонных звонков в истории науки.
Пока Дикке и Пиблс занимались вычислениями, физики Арно Пензиас и Роберт Вильсон из лаборатории Белла, расположенной менее чем в пятидесяти километрах от Принстона, боролись с радиоантенной (по случайному совпадению антенна была построена по проекту Дикке, разработанному им в 1940-х годах). Как они не бились с настройками, но приёмник антенны издавал постоянный и неустранимый шипящий фоновый шум. Пензиас и Вильсон были убеждены, что что-то не так с оборудованием. Но затем произошла цепочка случайных событий. Всё началось с доклада Пиблса в феврале 1965 года в университете Джона Хопкинса, на котором присутствовал радиоастроном Кеннет Тернер из института Карнеги. После семинара Тернер рассказал об этом своему коллеге из Массачусетского технологического института Бернарду Берку, который, как оказалось, был знаком с Пензиасом из лаборатории Белла. Услышав о принстонских исследованиях, группа лаборатории Белла осознала, что приёмник шипел не просто так: антенна принимала реликтовое излучение. Пензиас и Вильсон позвонили Дикке, и он сразу подтвердил, что они действительно случайно напали на отзвук Большого взрыва.
Обе группы учёных договорились опубликовать статьи одновременно в престижном «Астрофизическом журнале». Принстонская группа обсуждала выдвинутую ими теорию космологического происхождения фонового излучения, а группа лаборатории Белла сообщала, очень кратко, без какого-либо упоминания космологии, об обнаружении однородного микроволнового излучения, пронизывающего пространство. Ни одна из статей не упоминала ранние работы Гамова, Альфера и Германа. За открытие реликтового излучения Пензиас и Вильсон получили в 1978 году Нобелевскую премию по физике.
Гамов, Альфер и Герман были подавлены и в течение многих лет отчаянно боролись за признание своих работ. Лишь со временем и с большим запозданием физическое сообщество признало их ключевую роль в этом монументальном открытии.
Поразительная однородность древних фотонов
За десятилетия с момента первого наблюдения реликтовое излучение превратилось в основной инструмент космологических исследований. Причина этого проста. В большинстве областей науки исследователи многое дали бы за то, чтобы хоть ненадолго заглянуть в прошлое. Вместо этого они, как правило, вынуждены собирать по частям картину далёкого прошлого, основываясь лишь на обнаруженных останках — расколотых окаменелостях, рассыпающихся пергаментах или мумифицированном прахе. Космология является одной из наук, в которой мы можем стать по-настоящему свидетелями давно минувших событий. Свет от звёзд, которые мы видим невооружённым взглядом, это фотоны, летящие к нам в течение нескольких лет или нескольких тысяч лет. Свет от более удалённых объектов, попадающий в объективы мощных телескопов, летел значительно дольше, иногда миллиарды лет. Когда вы видите этот древний свет, то попадаете, буквально говоря, в древние времена. Те первобытные события происходили далеко отсюда, но выявленная однородность Вселенной на больших масштабах решительно свидетельствует в пользу, что то, что происходило там, происходило, в среднем, и здесь. Смотря вверх, мы смотрим в прошлое.
Благодаря реликтовым фотонам мы можем максимально использовать эту возможность. И неважно, как далеко могут продвинуться технологии; реликтовые фотоны — это самое древнее из всего, что можно увидеть, просто потому, что их старшие собратья не смогли пробиться сквозь непрозрачную плазму, заполнявшую Вселенную в более ранние эпохи. Изучая реликтовые фотоны, мы имеем возможность увидеть, как всё было устроено примерно 14 миллиардов лет назад.
Вычисления показывают, что в настоящее время примерно 400 миллионов реликтовых фотонов пролетают сквозь каждый кубический метр пространства. И хотя невооружённым глазом они не видны, их можно увидеть с помощью старого телевизора. Примерно 1 процент помех на экране отключённого от кабеля телевизора, настроенного на станцию, прекратившую вещание, вызван приёмом фотонов, оставшихся от Большого взрыва. А ведь это забавная мысль! Те же самые волны, передающие старые комедии, несут в себе свидетельства древнейшей драмы, произошедшей во Вселенной, которой было всего лишь несколько сотен тысяч лет от роду.
Оправдавшееся предсказание теории Большого взрыва о том, что пространство заполнено реликтовым излучением, стало триумфом. Всего лишь за триста лет научная мысль и технический прогресс человечества прошли путь от разглядывания неба через примитивные телескопы и бросания шаров с «падающих» башен до постижения физических процессов, произошедших в первые мгновения жизни Вселенной. Однако дальнейший анализ данных выявил проблему. Более точные измерения температуры излучения, проделанные, конечно же, не с помощью старого телевизора, а на самом передовом астрономическом оборудовании, показали, что излучение однородно — абсолютно однородно — в пространстве. Неважно, куда вы направите ваш приёмник, температура излучения будет 2,725 градуса выше абсолютного нуля. И задача в том, чтобы объяснить эту фантастическую однородность.
