Мы приходим к представлению, что Вселенная была порождена в некой катастрофе и, вероятно, к катастрофе же стремится. Если скорость расширения Вселенной достаточно сильно замедляется, это расширение в один прекрасный день прекратится и сменится сжатием. Результатом его может быть катастрофа, при которой галактики начнут сталкиваться друг с другом, и конец Вселенной окажется тогда подобным ее началу, который нас сегодня в основном интересует.
Гамов, Альфер и Херман заслуживают колоссального уважения помимо всего прочего за то, что они серьезно захотели воспринять раннюю Вселенную и исследовали то, что должны сказать известные физические законы о первых трех минутах.
В своей книге 1933 года «Расширяющаяся Вселенная» Эддингтон, комментируя данные Милликена о космических лучах, приходящих изотропно от всех участков неба, первый употребил термин «реликтовый», отмечая древность такого изотропного излучения: «Я предполагаю, что это не свежий труп, а очень древняя мумия». «Если я прав, космическое излучение — это музей, собрание реликвий далекой древности. Эти реликты проштампованы надписью, указывающей размеры мира в его ранние века».
В 1941 году канадский астроном Э. Маккеллар в спектре молекул межзвездного циана обнаружил линии поглощения, которые соответствовали температуре среды в 2,3 градуса Кельвина. Это явление осталось необъясненным.
В 1955 году Т. А. Шмаонов из Пулковской обсерватории провел изучение радиоизлучения неба на длине волны 32 см и открыл изотропный фоновый шум с температурой 4 3 градуса Кельвина. Ценность этого результата была не понята.
Советские астрономы А. П. Дорошкевич и И. Д. Новиков в 1964 году рассчитали, насколько интенсивность гипотетического реликтового излучения должна превышать в сантиметровом диапазоне интенсивность излучения обычных радиоисточников. Этот расчет показал возможность экспериментального обнаружения реликтового излучения (см.: Новиков И. Д. «Эволюция Вселенной», 1983).
Роберт Дикке (1916–1997), известный профессор Принстонского университета, придерживался модели осциллирующей Вселенной и рассматривал существующее расширение как фазу, последовавшую за предшествовавшим сжатием: «...я боюсь говорить о „рождении“ Вселенной, ибо полагаю, что Вселенная не была „рождена“, а скорее эволюционировала из прежней коллапсированной фазы... Можно полагать, что во время коллапса Вселенной энергия электромагнитного поля и нейтринного излучения чрезвычайно возрастает аналогично излучению при адиабатическом сжатии, пока, наконец, не достигается тепловое равновесие при температуре свыше 1010 К. Неизвестным в настоящее время образом этот коллапс может быть обратим, то есть Вселенная расширяется от этого очень горячего состояния». («Gravitational Theory and Observation». Physics Today, 1967; перевод взят из «Эйнштейновского сборника» 1969–1970.)
Дикке понимал, что излучение горячей начальной Вселенной может до сих пор существовать в космосе. Летом 1964 года Дикке и Джим Пиблс пришли к выводу, что это остаточное излучение можно зарегистрировать приборами. Вместе с П. Роллом и Д. Вилкинсоном они стали готовить эксперимент для обнаружения этого первичного космологического излучения. Но ученые Принстона опоздали.
В 1963 году физик Арно Пензиас предложил руководству лаборатории «Белл» модифицировать для радиоастрономических наблюдений антенну-рупор, которая была построена для экспериментов в области спутниковой связи, и получил согласие. К Пензиасу присоединился физик Роберт Вильсон, и они стали превращать спутниковую антенну в сверхчувствительный инструмент для радиоастрономии.
С самого начала Пензиас и Вильсон знали про существующий дефект антенны — она «шумела». Инженеры, которые прежде работали с антенной и ловили сигналы спутников, не смогли избавиться от непонятного радиошума. Радиоастрономам Пензиасу и Вильсону эти помехи тоже мешали. Весь 1964 год ученые безуспешно пробовали самые разные варианты избавления от шума, включая изгнание голубей и очистку антенны от голубиного помета, который Пензиас и Вильсон в будущей научной статье деликатно назвали «белым диэлектрическим веществом». Упрямые голуби, выселенные и увезенные подальше от антенны, упорно возвращались на привычное место. Но ничего не помогало — даже вычищенная рупорная антенна регистрировала во всех участках неба шум, который соответствовал радиоизлучению черного тела с температурой в 3,5 градуса Кельвина.
Макс Планк (1858–1947), изучая по просьбе промышленников эффективность свечения электрических ламп, вывел универсальную формулу излучения тела как функцию его температуры. Эта формула задавала вид спектра тела, то есть зависимость интенсивности его свечения от длины волны. Планковский спектр описывался плавной кривой с одним «горбом», который достигал максимума на определенной длине волны. Из формулы Планка следовало, что при нагреве тела максимум спектра смещается в сторону коротких волн. Поэтому рост температуры сдвигал спектр и цвет звезд от красных карликов к желтым светилам (как наше Солнце) и голубым сверхгигантам. Спектр остывающего тела смещался от инфракрасного излучения в радиодиапазон. Радиоизлучение с температурой в 3,5 градуса Кельвина соответствовало излучению черного тела с температурой минус 270 градусов Цельсия, что близко к температуре колбы с жидким гелием. Таким образом, Пензиас и Вильсон получили странный результат — их антенна шумела так, словно вся Вселенная была заполнена очень холодным веществом, и этот шум был изотропным — он не зависел от направления антенны и шел отовсюду, из любой точки на небе.
В начале 1965 года Пензиас узнал от знакомого физика, что в Принстонском университете, который находился всего в полусотне километров от их радиоантенны, группа знаменитого ученого Дикке работает над поиском остаточного излучения от взорвавшейся Вселенной, и там могут знать, что происходит с антенной-рупором.
Пензиас позвонил Роберту Дикке. Профессор задал несколько вопросов и назначил встречу. Через несколько дней, в конце марта 1965 года, Дикке, Ролл и Вилкинсон приехали к Пензиасу и Вильсону. Когда Дикке узнал, что измеренная температура радиошума равна 3 градусам Кельвина, он повернулся к своей команде и сказал: «Они получили то, что надо!»
Ученые из лаборатории «Белл» и астрономы из Принстона опубликовали свои работы в одном журнале. Статья Пензиаса и Вильсона рассказывала об обнаружении постоянного радиошума в космосе. В сопутствующей статье Роберт Дикке с соавторами (среди них Д. Вилкинсон, в честь которого назовут спутник WMAP, запущенный в 2001 году, и Дж. Пиблс, будущий нобелевский лауреат 2019 года) правильно интерпретируют наблюдения Пензиаса — Вильсона в рамках модели замкнутой и цикличной Вселенной. Группа Дикке полагала, что такая модель решает проблему барионной асимметрии (отсутствие антиматерии): «мы приходим к выводу, что условие сохранения барионов достаточно просто выполнить, если Вселенная замкнута и колеблется».
В статье описывалась циклическая переработка тяжелых атомных ядер: «Предполагая осциллирующую космологию без сингулярностей, мы полагаем, что температура должна быть достаточно высокой, чтобы разложить тяжелые элементы из предыдущего цикла... В этой картине необходимо предположить, что в момент максимального коллапса температура Вселенной превысит 1010 градусов Кельвина, чтобы пепел предыдущего цикла переработался обратно в водород, необходимый для звезд в следующем цикле».
В статье Дикке — Пиблса — Ролла — Вилкинсона более ранние работы группы Гамова упоминались одной строкой как пример исследований в области нуклеосинтеза — без пояснений, что именно эта группа еще 17 лет назад получила правильные теоретические оценки реликтового излучения. Впоследствии Пиблс клялся, что ни он, ни Дикке не видели работ Гамова. Но предыдущая статья Пиблса о реликтовом излучении была отвергнута журналом на основании того, что 90 % ее результатов получены ранее — в группе Гамова, Альфера и Хермана. Рецензент (которым был, видимо, сам Альфер) даже прислал Пиблсу список работ группы. Позже Альфер с горечью сказал: «Джим Пиблс знал о наших работах, если он не беспробудно туп!»
Пренебрежение результатами группы Гамова привело к тому, что в 1978 году Нобелевскую премию за открытие реликтового излучения получили наблюдатели Пензиас и Вильсон, но не получили теоретики Альфер и Херман, предсказавшие это излучение (Гамов к тому времени уже умер). Пензиас, отправляясь за Нобелевской премией, пригласил Альфера к себе домой, чтобы он помог ему с нобелевской речью. После этого визита расстроенный Альфер слег с сердечным приступом. Порадуемся же тому, что Гамов, хотя и не смог получить Нобелевскую премию, но все-таки успел испытать восторг от открытия Пензиаса — Вильсона, которое подтверждало его давнее предсказание о реликтовом излучении Улема.
Последующие наблюдения реликтового излучения доказали идею Большого взрыва. В 1972 году в книге «Cosmology, Fusion & Other Matters», посвященной памяти Г. Гамова, нобелевский лауреат Арно Пензиас констатировал: «Картина Вселенной, которую смогли получить радиоастрономы, далека от полной и отличается в деталях, но она поразительно хорошо согласуется с картиной, нарисованной Георгием Гамовым (1949) четверть века назад». Эдвард Теллер в этой же книге отметил: «Джордж Гамов, Джо для своих друзей, был физиком с превосходным вкусом».
Важным этапом в развитии концепции Большого взрыва стал 1992 год, когда группа ученых во главе с Джоном Мазером из Годдардского центра космических полетов НАСА с помощью спутника COBE осуществила сканирование всего неба в нескольких десятках длин волн. Ученые группы COBE доказали, что реликтовое излучение с огромной точностью является тепловым и чернотельным. При этом они обнаружили, что флуктуации реликтового излучения составляют примерно одну стотысячную от свечения фона. Примерно в это же время группа российского спутника «Реликт» оценила из наблюдений неоднородность реликтового фона, работая с одной длиной волны. Тем самым был определен уровень анизотропии реликтового излучения, что накладывало важные ограничения на космологические модели. Джон Мазер и Джордж Смут получили Нобелевскую премию 2006 года за доказательство чернотельности реликтового излучения и изучение его анизотропии.
Р. А. Сюняев и Я. Б. Зельдович в 1969 году предсказали эффект изменения температуры реликтового излучения при его рассеянии на электронах межзвездного газа. Сейчас эффект Сюняева — Зельдовича широко используется для измерения расстояний до скоплений галактик.
Таким образом, в 1965 году, после открытия реликтового излучения — так назвал первичное космологическое излучение известный советский астрофизик Иосиф Шкловский (1916–1985), — концепция горячей Вселенной и Большого взрыва была подтверждена и приобрела широкую популярность. С этого момента теоретики фокусировались на развитии модели Большого взрыва, а в истории космологии наступила новая эпоха.