Белые карлики. Будущее Вселенной

Хотя модель космического нуклеосинтеза, развитая Гамовым и Альфером, оказалась во многом неверна (сейчас известно, что элементы тяжелее бериллия не могли образоваться в ранней Вселенной и появились лишь в недрах звезд), она сыграла огромную роль в развитии космологии и астрофизики. Ключевая идея Гамова и Альфера о горячем начале Вселенной в дальнейшем полностью подтвердилась. Стоит отметить, что ставшее ходовым в современной лексике — и превратившееся в мем — выражение «Большой взрыв» (Big Bang) появилось именно как реакция (причем негативная) на эту модель. Его в 1949 г. впервые использовал в сильно уничижительном смысле радикальный противник этой теории, знаменитый британский астрофизик Фред Хойл в радиолекции на канале Би-би-си. С тех пор возражения Хойла рассеялись, как дым, а теория Большого взрыва (конечно, в позднейшей интерпретации) легла в основу современного понимания эволюции Вселенной.

В этом же 1948 г. уже без участия Гамова была выполнена работа, от которой без всяких оговорок можно отсчитывать историю теоретических исследований реликтового излучения. Она принадлежала Альферу и его старшему коллеге по Лаборатории прикладной физики Роберту Герману, который занимался спектроскопией и физикой конденсированных сред. Эта замечательная статья[49] содержит явное предсказание существования реликтового излучения.

Еще в докторской диссертации Альфера было отмечено, что частицы юной Вселенной погружены в море высокоэнергетичных фотонов, чья суммарная энергия очень сильно превосходит энергию частиц. В новой работе соавторы использовали стандартное уравнение, описывающее эволюцию масштабного фактора Вселенной, которое применили для сравнения плотности частиц ρ_mat и плотности энергии фотонов ρ_rad в разные эпохи. Как уже говорилось, при расширении Вселенной ρ_mat падает в обратной пропорции к кубу масштабного фактора, в то время как ρ_rad уменьшается обратно пропорционально его четвертой степени. Решение этого уравнения (что любопытно, на аналоговом компьютере, по тем временам это было делом весьма новым) показало, что обе плотности сравнялись, когда возраст Вселенной достиг 3,5 × 10¹⁴ секунд, или примерно 10 млн лет (57 000 лет по современным данным!). Соответственно, в этот момент температура фотонов, имевших, как предсказал Толмен, чисто планковский спектр, составляла 600 K (нынешняя оценка — приблизительно 10 000 K), а к современной эпохе упала до 5 K. Таким образом, Альфер и Герман пришли к выводу, что космическое пространство заполнено изотропным микроволновым излучением.

Правда, здесь надо кое-что уточнить. Приведенная в статье Альфера и Германа величина температуры реликтового излучения следует из принятой ими оценки средней плотности вещества во Вселенной, которая в свете современных данных была сильно занижена. Пересчет температуры с использованием уточненных космологических данных дает для температуры реликтового излучения величину того же порядка, но с другим численным значением. Однако в плане истории космологии и астрофизики суть не в тех или иных конкретных числах, которые в любом случае не были и не могли быть точными. Альфер и Герман показали, что горячая модель рождения Вселенной позволяет найти связи между физическими условиями в юной Вселенной и наблюдаемыми в наши дни параметрами космоса (такими как температура реликтовых фотонов и относительные концентрации элементов — если не всех, то самых легких). Детали этих связей с тех пор не раз уточнялись, однако сама демонстрация их существования стала непреходящим вкладом в науку о Вселенной.

Молодые ассистенты Гамова с самого начала понимали, что их выводы необходимо проверить. Как вспоминал инициатор первых экспериментов по детектированию гравитационных волн Джон Вебер, в конце 1948 г. или в начале 1949 г. они посетили вашингтонскую Исследовательскую лабораторию ВМФ (Naval Research Laboratory), где работала команда радиоастрономов, возглавляемая Джоном Хагеном. Если верить Веберу, они спросили Хагена, можно ли существующими средствами обнаружить предсказанное ими излучение, но тот ответил, что такая задача слишком сложна. Судя по всему, Альфер с Германом поверили его заключению и к другим радиоастрономам уже не обращались. Прояви они больше настойчивости, реликтовое излучение вполне могло быть открыто раньше, чем это случилось в реальности, и необязательно тем же способом. При таком раскладе Альфер и Герман почти наверняка оказались бы нобелевскими лауреатами.