Предчувствия и свершения. Книга 2. Призраки
Шрифт:
Радиоастрономы в то время уже привыкли оценивать величину шумов своих приемников и антенн при помощи эквивалентной температуры идеального сопротивления, нагревание которого порождает такой же шум. Так в науку вошел термин «шумовая температура». По этой оценке шумовая температура их антенны составила всего 0,9К (градусов Кельвина). Шумовое излучение атмосферы добавляло на волне 7,35 см еще 2,3К.
Мы акцентируем внимание читателя на этих цифрах, так как именно из-за совсем крошечной неувязки в числах, показавшейся сначала ошибкой, было сделано одно из самых важных открытий всех времен. Измерения давали 6,7К. Избыток, величиной в 3,5 К, был достоверно установлен с погрешностью не более ±1,0 К. Для того чтобы обеспечить такую точность, пришлось выселить из антенны пару гнездившихся в ней птиц и тщательно очистить от их помета внутреннюю поверхность антенны. Избыток шума оставался постоянным
Подобного еще не наблюдали ни в одном из освоенных участков диапазона электромагнитных волн. Вспомним, что одно из возражений против бесконечности размеров и против стационарности Вселенной, содержащей бесконечное количество звезд, сводилось к тому, что в этом случае небосвод должен был бы казаться светящимся суммарным светом этих бесчисленных звезд. Это возражение названо парадоксом Ольбертса, по имени астронома, впервые задумавшегося над тем, почему яркость небосвода и днем и ночью не равна яркости солнечного диска.
Убедившись в том, что они действительно обнаружили излучение, приходящее из космоса и не изменяющее своих свойств ни со временем, ни с направлением на небосводе, и не находя никакого объяснения этому феномену, Пензиас и Вилсон обратились к астрофизикам. При определении диагноза сработала цепочка совпадений, которые некоторые исследователи склонны отнести за счет случая, а другие считают закономерным результатом разветвленных связей, свойственных современной науке. Подобные связи нередко называют «незримыми колледжами», подчеркивая этим сотрудничество ученых, работающих в различных организациях, а иногда на различных континентах.
Началось с того, что Пензиас, сотрудник фирмы Белл, позвонил по телефону знакомому радиоастроному Бурку, работавшему в Массачусетском технологическом институте, по вопросу, не связанному с шумами антенны. Но Бурк знал о работе Пензиаса и спросил его о том, как движутся измерения шумов. Ответ гласил: хорошо, но есть некоторые неясности — избыточный шум, источник которого неизвестен. Тогда Бурк рассказал о том, что его коллега Туркер из института Карнеги слышал доклад молодого теоретика из Принстона Пиблса о том, что должно существовать шумовое излучение, оставшееся от ранней эпохи развития Вселенной, что оно должно иметь температуру около 10 К и приходить равномерно со всех сторон. Бурк сказал, что принстонские теоретики могут прояснить сомнения Пензиаса и Вилсона. Пензиас позвонил в Принстон физику Дике. Оказалось, что незадолго до того Пиблс, один из сотрудников Дике, исходя из теоретического исследования следствий нестационарного решения уравнений общей теории относительности, полученного еще в 1922 году Фридманом, пришел к выводу о том, что на ранней стадии своего развития Вселенная должна была быть заполнена электромагнитным излучением. Это излучение должно было находиться в равновесии с веществом и препятствовать синтезу гелия и более тяжелых ядер из первоначальной массы протонов и нейтронов. Ведь и сейчас протоны составляют примерно три четверти всего вещества Вселенной. Теория предсказывала, что спектр этого излучения должен быть спектром излучения черного тела, а его температура должна падать по мере расширения Вселенной, предсказанного Фридманом. Дике предложил своим сотрудникам Роллу и Уилкинсону проверить расчеты Пиблса опытным путем. Они начали готовить антенну и приемник, предназначенные для работы на волне 3,2 см. Но звонок Пензиаса известил их о том, что они опоздали. Открытие уже свершилось.
После тщательного сопоставления опыта и теории и уточненных расчетов в Астрофизический журнал были направлены две статьи. Статья Дике, Пиблса, Ролла и Уилкинсона под названием «Излучение черного тела из космоса» напечатана в 1965 году на странице 414 этого журнала. На странице 419 того же номера можно увидеть статью Пензиаса и Вилсона «Измерение избыточной температуры антенны на 4080 МГц».
В 1978 году, когда выдающееся значение наблюдений Пензиаса и Вилсона, подтвердивших реальность гипотезы Большого взрыва, вытекающей из решения Фридмана, было в достаточной мере осознано, они стали лауреатами Нобелевской премии. Но в 1965 году еще предстояло убедиться в том, что спектр
Гипотеза Большого взрыва, как уже сказано, является следствием нестационарного решения уравнений общей теории относительности, полученного Фридманом. В соответствии с его решением Вселенная непрерывно расширяется, причем скорость увеличения взаимных расстоянии космических объектов тем больше, чем дальше объекты находятся один от другого. Начальная стадия процесса соответствует огромной концентрации материи и излучения в малом объеме. Такое состояние неустойчиво, и Вселенная вышла из него взрывоподобно.
Полная теория эволюции Вселенной теперь разработана достаточно детально для периода времени от 0,01 секунды после Большого взрыва до наших дней и на многие миллиарды лет вперед. Она хорошо обоснована астрономическими и радиоастрономическими наблюдениями, подтвердившими огромные скорости разбегания галактик.
Еще в 1973 году Глэшоу и Джорджи предложили теорию, которая позволяет приступить к анализу событий, происходивших после того момента времени, который отстоит на ничтожную долю секунды от начала Большого взрыва. Эта теория еще не завершена, однако она уже позволила сделать ряд предсказаний, хорошо согласующихся с опытом. Непосредственная задача, привлекавшая ученых, по существу, совпадала с мечтой Эйнштейна: создать теорию, которая объединяла бы в единое целое все известные поля, все силы, действующие в природе, теорию, способную объяснить, почему известные нам частицы обладают теми свойствами, которыми они обладают, и предсказать свойства еще неизвестных частиц. Более конкретно это звучало так — свести все известные поля и силы к единому полю, порождающему эти силы, объединить все частицы в единое упорядоченное семейство, построить аналог таблицы Менделеева для частиц.
Теория Глэшоу и Джорджи открывает путь к объединению описания микромира и Вселенной. Эта теория основана, в существенной мере, на понятии «симметрия», используемом в самом широком смысле. В этой книге мы не раз встречались с различного рода проявлениями симметрии.
Сейчас мы еще раз призовем ее на помощь, чтобы убедиться в том, что единство природы простирается от колоссальных масштабов Вселенной до мельчайших элементарных частиц. Убедиться, что законы Природы едины. хотя в зависимости от конкретных условий решающую роль играют не все сразу, а лишь часть из них, в то время как другие отступают на второй план, чтобы выдвинуться вперед при других условиях.
Все примеры проявления симметрии, встречавшиеся на нашем пути, свидетельствуют о том, что повышение температуры, усиление хаотичного теплового движения приводят к разрушению порядка, к устранению особых свойств, проявляющихся в нарушении симметрии. Чем выше температура, тем совершеннее симметрия, тем менее вероятны устойчивые отклонения от симметрии.
Современный взгляд на развитие Вселенной состоит в том, что первоначальная температура исходного образования была столь высокой, что это образование являло собой высшую возможную в природе степень симметрии. Каково содержание этих слов?
Сильно огрубляя картину, можно сказать так: первоначальная температура была столь велика, что вся материя и эквивалентная ей энергия представляли однородное образование, а все известные силы природы сравнялись между собой по величине своего действия и слились в единою силу. Если и была среди них «самая сильная», то это, по-видимому, гравитация, та, которая является самой слабой из известных сил, действующих в современном мире. Причиной этого является огромная плотность первичной материи и энергии, много большая, чем плотность нейтронных звезд. Более того, в связи с основными положениями общей теории относительности — теории гравитации, можно, так же огрубляя, сказать, что все пространство в то время было сосредоточено в области, заполненной этой сверхплотной сверхгорячей материей. Вне этой области не было ничего — ни материи, ни пространства.