Предчувствия и свершения. Книга 3. Единство

В 1963 году группа теоретиков, работавших в Принстоне во главе с Р. Дикке, снова заинтересовалась теорией Большого взрыва. За прошедшее десятилетие теория элементарных частиц пережила период бурного развития как в области фундаментальных моделей, так и по методам расчетов и полученным результатам. Значительный прогресс пережила и радиоастрономия. Были построены крупные малошумящие антенны для приема радиоволн сантиметрового диапазона, приходящих из космоса. Одновременно еще более молодая квантовая электроника позволила создать принципиально новые квантовые усилители радиоволн, основанные на применении открытого Е. К. Завойским парамагнитного резонанса. Радиоприемники с такими усилителями могли легко зафиксировать радиоизлучение, интенсивность которого была бы эквивалентна шумам сопротивления, нагретого лишь до нескольких единиц градусов Кельвина.

Один из сотрудников Дикке, П. Пиблс, вновь провел расчеты протекания начальной стадии эволюции Вселенной, следуя стандартной модели Большого взрыва, но с учетом новейших достижений физики элементарных частиц. Расчет подтвердил, что со всех направлений из удаленных областей Вселенной к Земле приходит равновесное радиоизлучение, максимум интенсивности которого после новых вычислений оказался близким к 7К. Основной отличительной чертой этого излучения является независимость его интенсивности от направления в пространстве и его спектр, являющийся характерным шумовым спектром равновесного теплового излучения. Лабораторный жаргон присвоил этому излучению наименование «реликтовое излучение», что подчеркивает его происхождение. Ведь это действительно реликт — остаток давно минувших времен и событий. Наименование сохранилось и вошло в международный словарь науки.

По поручению Дикке двое из его сотрудников начали готовить сверхчувствительный радиоприемник и крупную антенну радиотелескопа для поиска реликтового излучения на длине волны около 3 см.

Открытие

В это время американские радиоастрономы А. Пензиас и Р. Вильсон готовили к очередным экспериментам оригинальную рупорную антенну. Эта большая антенна была построена для исследования возможности создания космической системы радиосвязи, в которой спутник типа Эхо» — большой баллон из тонкой металлизированной пленки, выведенный на околоземную орбиту и раздутый газом, — должен был служить зеркалом, отражающим радиоволны, излученные передатчиком.

После того как эксперименты с «Эхом» были закончены, Пензиас и Вильсон собирались применить эту антенну в качестве радиотелескопа и поэтому тщательно изучали ее шумовые свойства. Они оценивали вклад различных источников шумов в принятых радиоастрономами единицах — градусах Кельвина. За единицу был принят шум, испускаемый сопротивлением величиной в один Ом, нагретым на 1К. Различные источники шумов вносили свой вклад в общую шумовую температуру антенны, а исследователи старались свести шумы антенны к минимуму. Как и другие радиоастрономы, они использовали для калибровки антенны шумы, приходящие из космического пространства, стремясь при этом точно учесть путем вычислений неизбежные шумы, порождаемые земной атмосферой, и шумы, излучаемые поверхностью Земли, попадавшие в антенну, даже когда она была обращена к небу. В последнем случае сказывалось отклонение конструкции антенны от расчетной и явление дифракции, то есть изгибание направления распространения радиоволн вблизи края антенны.

Закончив эти исследования, Пензиас и Вильсон обнаружили, что измеренный ими шум антенны на 3 К превосходит ее расчетный шум с учетом всех мыслимых внешних шумов. Необычно было, что величина избыточного шума не зависела от направления антенны. В процессе исследования антенну поворачивали от зенита почти до горизонта и вращали ее вокруг вертикальной оси так, что она обегала все участки горизонта. Таинственное шумовое излучение не изменялось ни со временем суток, ни в течение года.

В 1964 году, когда измерения закончились, исследователи приобрели полную уверенность в том, что избыточное радиоизлучение, идущее с удивительным постоянством к Земле, одинаково со всех сторон, — реальность.

Неожиданная, непонятная, но несомненная реальность. Они были недостаточно подготовлены даже для того, чтобы выдвинуть сколько-нибудь удовлетворительную гипотезу, способную объяснить наблюдаемый ими избыточный шум. Никто из сотрудников большой и высококвалифицированной научно-исследовательской организации, в которой они работали, тоже не мог сказать ничего определенного. Но цепь случайностей в конце концов привела их к Пиблсу, научный доклад которого слышал знакомый их знакомого.

Ничего не зная о теории Большого взрыва, Пензиас и Вильсон связались с Пиблсом. Личный контакт поставил все на свои места — Пиблс поздравил радиоастрономов с открытием. Да, обнаруженный ими избыточный шум не ошибка, не влияние какого-то неучтенного ими источника помех. Это открытие. И оно имеет огромное принципиальное значение. Вскоре это открытие — результат тщательно проведенного эксперимента — принесло им Нобелевскую премию.