Как работает Вселенная: Введение в современную космологию

Обработав полученные данные, Пензиас и Уилсон обнаружили слабый, но постоянный и очень загадочный шум с амплитудой, в 100 раз превышающей ожидаемый уровень. Этот шум присутствовал днем и ночью и был равномерно распределен по небесной сфере. Они оценили длину его волны в 7,35 см, что не соответствовало ни одному известному источнику ни на Земле, ни на Солнце, ни в нашей Галактике. Даже после тщательных проверок всего оборудования, а также очистки антенны от голубиных гнезд и помета таинственный шум не исчезал. Именно тогда друг Пензиаса Бернард Бурк познакомил их с теоретиками Робертом Дикке, Джимом Пиблзом и Девидом Вилкинсоном из Принстонского университета, которые поняли истинное значение этого открытия. Забавно, что Пензиас и Уилсон использовали радиометр, разработанный Дикке специально для поисков реликтового излучения, тем самым обойдя создателя этого прибора. Статья Пензиаса и Уилсона «Измерение избыточной антенной температуры на уровне 4080 мегациклов в секунду» принесла им в 1978 г. Нобелевскую премию по физике.

Как ни странно, Пензиас и Уилсон не были первыми, кто обнаружил реликтовое излучение. На самом деле оно было впервые обнаружено в 1941 г. Эндрю Макмилланом, а затем в 1957 г. аспирантом-радиоастрономом Пулковской обсерватории Тиграном Шмаоновым, однако ни один из них не осознал важность открытия. Некоторые историки науки утверждают, что были даже более ранние открытия (см., например, (Ассис и Невес, 1995)), самое старое из них датируется XIX в.

Эта история лишний раз подтверждает важность взаимодействия между теоретиками и экспериментаторами. Ведь, не покажи тогда Бурк Пензиасу препринт статьи Пиблза, это открытие так и осталось бы пылиться на полках архивов. Вспомнили бы о нем лишь спустя много лет, после присуждения другим людям (скорее всего, Дикке, Пиблзу и Вилкинсону) Нобелевской премии за открытие реликтового излучения, как это произошло с открытием Шмаонова, а имена Пензиаса и Уилсона были бы известны лишь их родственникам, друзьям и коллегам да, возможно, немногочисленным исследователям истории науки. Причем Пензиас и Уилсон занимались сугубо прикладными исследованиями, связанными с решением технологической задачи, и присуждение им Нобелевской премии за столь фундаментальный результат является исключительным случаем.

3.2.2. Анизотропия реликтового излучения

Дальнейшие исследования реликтового излучения показали, что это излучение не так однородно, как казалось вначале. В 1968 г. Мартин Рис и Деннис Сиама, а в 1969 г. Рашид Сюняев и Яков Зельдович теоретически разработали два разных механизма, которые должны приводить к анизотропии[39] реликтового излучения. В 1977 г. Джордж Смут с коллегами экспериментально обнаружил дипольную составляющую анизотропии по данным измерений реликтового излучения с борта высотного самолета-разведчика U-2.

Что такое дипольная асимметрия? Представьте, что вы стоите на открытом воздухе в безветренный день. Вы не чувствуете давления воздуха, поскольку оно действует одинаково со всех сторон, т. е. изотропно. Теперь вы начинаете двигаться вперед и можете четко ощущать повышение давления спереди и понижение давления сзади, потому что молекулы ударяют по вам спереди сильнее и чаще, чем сзади. Это пример дипольной асимметрии, при которой имеется направление, в котором изменяется некая величина, но она неизменна в любом перпендикулярном ей направлении. Более сложной является квадрупольная асимметрия. Вы можете ее продемонстрировать, поставив два одинаковых вентилятора, которые дуют на вас спереди и сзади.

Объяснить найденную дипольную составляющую анизотропии реликтового излучения можно следующим образом: в некоторой системе отсчета эта дипольная составляющая равна нулю, но Земля движется вокруг Солнца, Солнце – вокруг центра Галактики, а Галактика падает на скопление в созвездии Девы и другие области концентрации плотности – аттракторы. При этом возникает эффект Доплера, приводящий к тому, что видимая температура реликтового излучения в направлении движения Земли повышается, а в противоположном направлении – понижается. Существует система отсчета, в которой обнуляется дипольная компонента реликтового излучения. Относительно нее Солнце движется со скоростью 371 км/с в направлении созвездия Льва. Сейчас именно эту систему отсчета используют для анализа космологических данных.

Таким образом, репутация принципа относительности Галилея, который утверждает, что законы движения одинаковы во всех инерциальных системах отсчета, «несколько подмочена», поскольку теперь у нас имеется выделенная система отсчета, которая «лучше» других систем отсчета, движущихся относительно нее с постоянной скоростью. В определенном смысле это можно было бы рассматривать как воскрешение идей давно забытой теории эфира, постулирующей, что выделенной является система, в которой эфир неподвижен. Это, однако, не означает, что мы должны вернуться к принципиально ошибочной теории эфира.

3.2.3. Космология выходит в космос