Первые три минуты - читать онлайн книгу. Автор: Стивен Вайнберг cтр.№ 29

На самом деле реликтовое излучение было предсказано в 1948 г., причем во многом на основе упомянутых аргументов. Но ни тогда, ни позже проверить это предсказание никто не удосужился. В конце 1940-х гг. над космологической теорией Большого взрыва работал Георгий Гамов со своими коллегами Ральфом Алфером и Робертом Германом. Они предполагали, что в самом начале Вселенная состояла исключительно из нейтронов, а потом они стали превращаться в протоны – в хорошо известном процессе радиоактивного распада на протон, электрон и антинейтрино. В некоторый момент из-за расширения температура упала настолько, что после ряда последовательных нейтронных захватов из протона и нейтрона стали образовываться легкие ядра. Алфер и Герман, пытаясь объяснить распространенность таких элементов в современной Вселенной, пришли к выводу: на один нуклон должен приходиться миллиард фотонов. И, взяв оценки современной плотности нуклонов, предсказали, что Вселенную должно заполнять оставшееся с давних времен излучение с температурой 5 К!

В первоначальных вычислениях Алфера, Германа и Гамова не все было правильно. Во-первых, как мы узнали в предыдущей главе, в самом начале протонов и нейтронов во Вселенной было, вероятно, поровну. Во-вторых, превращение одних в другие (и обратно) происходило главным образом за счет столкновений с электронами, позитронами, нейтрино и антинейтрино, а не из-за радиоактивного распада. На эти недочеты в 1950 г. указал К. Хаяси. В 1953 г. Алфер и Герман (совместно с Фоллином-младшим) пересмотрели свою модель и аккуратно вычислили, как менялось соотношение между протонами и нейтронами. Эта статья фактически является первым подробным анализом ранней истории Вселенной и сохраняет свое значение по настоящее время.

Как бы то ни было, ни в 1948 г., ни в 1953 г. никто не бросился искать предсказанный микроволновый фон. До 1965 г. мало кто из астрофизиков вообще знал, что в моделях с Большим взрывом из наличия в современной Вселенной гелия и водорода следует существование реликтового излучения, которое вполне можно зарегистрировать. Удивительно даже не то, что астрофизикам не было известно о предсказании Алфера и Германа – отдельно взятой статье ничего не стоит затонуть в глубоком океане научной литературы. Озадачивает то, что в течение 10 с лишним лет никому в голову не пришла та же мысль: ведь теоретическая база была подготовлена. Очередные расчеты процесса нуклеосинтеза в модели Большого взрыва появились снова только в 1964 г. Над ними независимо работали Я. Б. Зельдович в России, Хойл и Р. Дж. Тейлер в Англии и Пиблс в США. Однако к тому времени Пензиас и Вильсон уже вели свои наблюдения в Холмделе, и космологи-теоретики не имели никакого отношения к открытию реликтового излучения.

Озадачивает и то, почему знавшие о предсказании Алфера и Германа не придали ему большого значения. Сами Алфер, Фоллин и Герман в своей статье в 1953 г. оставили задачу о нуклеосинтезе «для дальнейших исследований», поэтому им не с руки было пересчитывать ожидаемую температуру микроволнового фона, исходя из своей усовершенствованной модели. (Ни слова они не сказали и о своей гипотезе о 5-градусном фоне фотонов. В 1953 г. на заседании Американского физического общества они все же доложили результаты по нуклеосинтезу, но потом все трое разъехались по разным лабораториям, и их совместная статья так и не вышла в законченном виде.) Много лет спустя, уже после открытия реликтового излучения, Гамов в письме Пензиасу сообщил, что он еще в 1953 г. опубликовал в «Трудах Датской королевской академии» статью, где предсказал существование реликтового фона с температурой 7 К, по порядку величины совпадающей с ее истинным значением. Однако достаточно мельком взглянуть на ту работу, чтобы заметить: предсказание Гамова было основано на неверной предпосылке о возрасте Вселенной, а не на его собственной теории космологического нуклеосинтеза.

Кто-то может возразить, что в 1950 – начале 1960-х гг. о распространенности легких элементов мало что было известно – во всяком случае для того, чтобы делать уверенные предсказания температуры реликта. Надо признать, даже сегодня мы с осторожностью относимся к данным о 20–30-процентной доле гелия во Вселенной. Однако ни в коем случае нельзя забывать: еще задолго до 1960 г. господствовало убеждение, согласно которому подавляющая часть вещества в космосе существует в форме водорода. (Например, из обзора, проведенного в 1953 г., Ганс Суэсс и Гарольд Юри заключили, что водород составляет по массе 75 %.) Но ведь звезды не производят водород. Наоборот, они черпают свою энергию из этого простейшего топлива, попутно производя тяжелые элементы. Уже одного этого факта достаточно, чтобы сказать: соотношение количества фотонов и нуклонов довольно велико, иначе водород в ранней Вселенной должен был бы полностью перейти в гелий и тяжелые элементы.

А когда, спросите вы, вообще стало технически возможным зарегистрировать 3-градусное фотоновое излучение? Ответить на этот вопрос нелегко. Мои коллеги-экспериментаторы говорят, что подобное исследование можно было провести задолго до 1965 г. – скажем, в середине 1950-х или даже 1940-х гг. В 1946 г. группа из Радиационной лаборатории МИТа, возглавляемая – кем бы вы думали? – Робертом Дикке, установила верхнее ограничение на изотропную составляющую внеземного излучения. Согласно полученным результатам, эквивалентная температура на длинах волн 1,00 см, 1,25 см и 1,50 см была меньше 20 К. Эти данные стали побочными при исследованиях атмосферного поглощения и уж точно не имели никакого отношения к наблюдательной космологии. (Примечательно, что Дикке, как он сам мне рассказал позже, обратив внимание на гипотетический космологический микроволновый фон почти 20 лет спустя, совершенно забыл о своем собственном верхнем ограничении в 20 К.)

На мой взгляд, вопрос, когда приборы стали достаточно совершенными для того, чтобы зарегистрировать 3-градусный фон, не очень важен. Интересно другое: радиоастрономы в принципе не знали, что стоит попытаться! Для сравнения вспомните историю открытия нейтрино. Когда в 1932 г. Паули впервые заговорил о нем, только безумец мог подумать, что эту частицу удастся поймать на оборудовании того времени. Но проблема не переставала будоражить умы физиков-экспериментаторов. Когда в 1950-х гг. появились атомные реакторы, их тут же задействовали для поисков нейтрино – и последние увенчались успехом. Между историей обнаружения реликтового излучения и открытием антипротона наблюдается еще более разительный контраст. Когда в 1932 г. в космических лучах был найден позитрон, теоретикам стало ясно, что своей античастицей должен обладать и протон. О произведении антипротона на циклотронах образца 1930-х гг. нечего было и думать. Но физики так это дело оставлять не собирались, и в 1950-х специально для этой задачи был построен ускоритель («Беватрон» в Беркли). В случае реликтового излучения ничего подобного не было – если не считать попытки Дикке и его сотрудников начать в 1964 г. целенаправленные поиски. Но даже эта группа из Принстона не имела понятия о работе Гамова, Алфера и Германа, сделанной за десять лет до этого.

В чем же дело? Есть по крайней мере три причины недооценки важности поисков реликтового излучения в 1950-х и начале 1960-х гг.

Во-первых, надо понимать, что Гамов, Алфер, Герман, Фоллин и другие работали в рамках более широкой космогонической теории. В их модели Большого взрыва по сути все сложные ядра должны были образоваться в ранней Вселенной, присоединяя один за другим нейтроны. Хотя эта теория и давала правильные доли некоторых тяжелых элементов, она с трудом могла ответить на вопрос, почему последние вообще существуют. Как мы уже говорили, нет ни одного стабильного ядра с пятью или восемью нуклонами. Поэтому невозможно произвести ядро тяжелее гелия, присоединяя к гелию (⁴He) нейтроны или протоны или склеивая между собой пары гелиевых ядер. (На это досадное обстоятельство впервые обратили внимание Энрико Ферми и Энтони Туркевич.) Имея в виду эту трудность, легко понять, почему и к доле гелия, которую давала эта модель, теоретики относились с подозрением.