Книга Астрофизика начинающим: как понять Вселенную - Грегори Мон

В 1964 году Пензиас и Уилсон работали в лаборатории «Белл Телефон», научно-исследовательском подразделении компании AT&T («Американский телефон и телеграф»), той самой компании, которая сегодня обеспечивает нас беспроводной связью и смартфонами. В главе 9 мы более подробно расскажем о том, что небо переполнено разнообразными видами световой энергии. Некоторые из них, например известные всем цвета радуги, ощутимы глазом, другие невидимы. Но все они представляют собой волны, и одним из главных различий между всеми этими видами света являются длины их волн, то есть расстояния от вершины одной волны до вершины следующей. Компания AT&T построила гигантскую рупорообразную антенну для посылки и приема радиоволн.

Ученые в лаборатории «Белл Телефон» использовали эту антенну, чтобы больше узнать о рождении Вселенной.

Пензиас и Уилсон направили свою гигантскую антенну на небо, но, куда бы они ее ни поворачивали, они принимали только один особый вид света: микроволновое излучение. Сегодня на большинстве американских кухонь есть микроволновые печи, в которых можно готовить или разогревать еду, облучая ее этими длинными невидимыми низкоэнергетическими волнами. Но откуда же все эти микроволны берутся в космосе?

Пензиас и Уилсон были озадачены.

Они принялись искать потенциальные источники микроволнового излучения и на Земле, и в космосе. Почти во всех случаях они смогли объяснить, откуда шли эти лучи. Но один микроволновой сигнал все же оставался загадочным. Куда бы двое ученых ни направляли антенну, они принимали этот сигнал. Конечно, сначала они подумали, что у них что-то не в порядке с приемником. Они заглянули внутрь антенны и нашли там голубиное гнездышко. А сама антенна была покрыта белым налетом.

Голубиным пометом.

Голубиный помет покрывал бóльшую часть антенны, которая имела вид параболической тарелки. Возможно, этим и объяснялось происхождение таинственных микроволн? Пензиас и Уилсон тщательно почистили антенну, переселили голубей на новое место и снова протестировали инструмент.

Сигнал немного уменьшился, но полностью не исчез. Дело было не только в голубях. Но объяснения таинственного явления у ученых так и не появилось.

Тем временем группа физиков из Принстонского университета во главе с Робертом Дикке узнала об их наблюдениях. Но в отличие от Пензиаса и Уилсона эти физики точно знали, откуда шел странный свет.

Причиной сигнала, который принимали Пензиас и Уилсон, был не голубиный помет.

Они открыли свет, шедший из ранней Вселенной.

После Большого взрыва Вселенная стала быстро расширяться.

Как мы уже говорили, в космосе много таинственных правил, и одно из них заключается в том, что энергию нельзя ни создать, ни уничтожить. Это правило называется законом сохранения энергии, и нарушить его невозможно. Серьезно. Вся сегодняшняя энергия нашей Вселенной существовала и во время Большого взрыва. По мере того как космос расширялся, вся эта энергия постепенно растягивалась на все увеличивающееся пространство. С каждым мгновением Вселенная становилась чуть больше, чуть холоднее и чуть темнее.

И так продолжалось 380 тысяч лет.

Если бы в те ранние времена истории Вселенной вам потребовалось посмотреть сквозь нее, как мы делаем теперь, вам бы это не удалось. Ведь вам бы понадобилось увидеть фотоны, которые проделали космическое путешествие сквозь Вселенную. Но в те времена фотоны не могли преодолеть большого расстояния. Разве с вами не случалось такого: только вы собрались выйти из дому, как кто-то из родителей останавливал вас в дверях и напоминал о чем-то несделанном по хозяйству или невыполненном домашнем задании? То же самое происходило и с фотонами. Как только они собирались отправиться в путь, их останавливали электроны. А так как фотоны не могли никуда улететь, то ничего и не было видно. Куда ни посмотри, Вселенная представляла собой что-то вроде светящегося густого тумана.

Однако, по мере того как температура падала, частицы двигались все медленнее и медленнее. И наконец электроны настолько замедлились, что их стали захватывать пролетающие мимо протоны. А как только электрон и протон соединяются вместе, получается атом.

Хорошо, и какое же все это имеет отношение к голубиному помету?

А вот какое. Теперь, когда электроны стали захватываться протонами, фотоны больше ничто не останавливало. Они получили свободу и начали беспрепятственно летать по всей Вселенной.

Пока они неслись сквозь космос, Вселенная продолжала расширяться и охлаждаться. Фотоны становились слабее и слабее. Сначала они имели достаточно энергии, чтобы их можно было видеть —

это такие же фотоны, какие действуют на наши глаза, когда мы разглядываем страницу напечатанной или электронной книги. Но, находясь в пути миллионы, а потом еще миллиарды лет, эти фотоны остыли. Их волны вытянулись, превратившись в длинные, низкоэнергетические микроволны. И все эти уставшие от долгого пути фотоны как раз и образуют то, что мы называем космическим микроволновым фоном.

Пусть вас это несколько странное научное название не сбивает с толку. И, пожалуйста, не надо воображать себе гигантскую микроволновую печку, которая носится где-то в космическом пространстве. Космический микроволновой фон – это просто свет, когда-то родившийся в ослепительно сияющей, раскаленной ранней Вселенной.

Именно это излучение и принимала антенна Пензиаса и Уилсона.

Георгий Гамов

Георгий Гамов был не только крупным космологом, но и талантливым учителем. Одна из его студенток, Вера Рубин, сделала важные открытия, исследуя темную материю, таинственную субстанцию, удерживающую вместе далекие друг от друга галактики. Гамов даже писал книги для детей. В одной из них действует персонаж по имени мистер Томпкинс, который то и дело ввязывается в странные научные приключения. Как-то раз мистер Томпкинс превратился в электрон и, как случалось с частицами нашей ранней Вселенной, аннигилировал, превратился в свет, повстречавшись со своим двойником-античастицей – позитроном. Жесткая концовка.

Они видели Вселенную, какой она была почти четырнадцать миллиардов лет назад.

За несколько десятилетий до этого существование космического микроволнового фона предсказал американский физик российского происхождения Георгий Гамов. Поэтому, когда Дикке и его коллеги в Принстоне узнали о странном сигнале, принятом Пензиасом и Уилсоном, они сразу поняли, что это такое. Они ведь сами долго искали доказательства существования космического микроволнового фона. Все сходилось, в том числе и то, что сигнал приходил со всех направлений на небе.