Книга: Черные дыры и вселенная

Почему реликтовое излучение не открыли раньше?

Вернемся теперь к проблеме, относящейся к истории науки, но которой живо интересуются и специалисты — физики и астрофизики. В своей книге «Первые три минуты» известный американский физик С. Вайнберг пишет следующее: «Я хочу попытаться разрешить здесь историческую проблему, которая в равной степени представляется мне загадочной и поразительной. Обнаружение в 1965 году фона космического микроволнового излучения (так иногда называют реликтовое излучение. — И. Н.) было одним из самых важных научный открытий двадцатого века. Почему оно произошло случайно? Или, другими словами, почему не было систематических поисков этого излучения задолго до 1965 года?»

Напомним, что само предсказание существования во Вселенной излучения с температурой несколько градусов было сделано в конце 40-х — начале 50-х годов — за 15 лет до открытия А. Пензиаса и Р. Вилсона.

Может, все дело в том, что тогда не было достаточно чувствительных радиотелескопов, способных его обнаружить? Мы увидим далее, что это, по-видимому, не так. Такого же мнения придерживается и С. Вайнберг. Но дело даже не в этом.

В истории физики много примеров, когда предсказание нового явления делалось задолго до появления технических возможностей его обнаружения. И тем не менее, если предсказание было обоснованным и важным, то физики всегда о нем помнили. Когда появлялись возможности — предсказание проверялось. С. Вайнберг приводит пример предсказания в 30-е годы существования антипротона — античастицы ядра атома водорода. Тогда физики не смели и мечтать о возможности обнаружить его в эксперименте. Но в 50-е годы, когда появились соответствующие возможности, был построен специальный ускоритель в Беркли для проверки этого предсказания.

Однако до середины 60-х годов радиоастрономы даже не знали о реликтовом излучении и о возможности его обнаружения.

Почему так получилось?

С. Вайнберг называет три причины. Первая — это то, что теория горячей Вселенной создавалась Г. Гамовым и его сотрудниками для того, чтобы объяснить распространенность в природе всех химических элементов их синтезом в самом начале расширения Вселенной. Это оказалось неверным, как мы уже говорили в предыдущем разделе, — тяжелые элементы синтезированы в звездах. Только самые легкие элементы ведут свое происхождение с первых мгновений расширения. Были в первых вариантах теории и другие некорректности. Потом все это было исправлено, но в конце 40-х и в 50-е годы неточности подрывали доверие к теории в целом.

Вторая причина — плохая связь между теоретиками и экспериментаторами. Первые не представляли, может ли реликтовое излучение быть обнаружено с помощью имеющихся наблюдательных средств; вторые не слышали о том, что такое излучение следует искать.

Наконец, третья причина психологическая. Физикам и астрофизикам было очень трудно поверить, что расчеты, относящиеся к первым минутам с начала расширения Вселенной, действительно соответствуют истине. Уж очень велик был контраст между промежутками времени — несколько первых минут и десятки миллиардов лет, отделяющие ту эпоху от нашей.

Еще одну причину, на мой взгляд самую важную, указывает А. Пензиас в своей лекции, прочитанной при вручении Нобелевской премии. Дело в том, что в первых работах Г. Гамова и его сотрудников и в последующих работах, хотя и было сказано о наличии реликтового излучения, но не было указано, что его можно хотя бы в принципе обнаружить. Боле того, Г. Гамов и его коллеги, по-видимому, считали, что это сделать вообще нельзя! Вот что говорит А. Пензиас: «Что же касается обнаружения реликтового излучения, то, по-видимому, они считали, что в первую очередь это излучение проявит себя как увеличение плотности энергии. Этот вклад в приходящий на Землю общий поток энергии должен быть замаскирован космическими лучами и суммарным оптическим излучением звезд. Обе эти составляющие имеют сравнимые плотности энергии. Мнение о том, что действия трех составляющих с приблизительно равными энергиями нельзя разделить, можно найти в письме Г. Гамова, написанном Р. Альферу в 1948 году (не опубликовано: любезно представлено мне Р. Альфером): „Температура космического пространства, равная 5°K, объясняется современным излучением звезд (С-циклы). Единственно, что мы можем сказать, это то, что оставшаяся от исходного тепла Вселенной температура не выше 5°K“. Они, по-видимому, не осознавали того, что своеобразные спектральные характеристики реликтового излучения должны выделять его среди других эффектов».

В следующем этапе этой истории довелось участвовать мне самому. Получилось так, что начало моих занятий физической космологией пришлось на первую половину 60-х годов, незадолго до открытия реликтового излучения. Я тогда только что закончил аспирантуру Московского университета под руководством А. Зельманова. Мой учитель интересовался главным образом механикой движения масс в космологических моделях без упрощающих предположений об их однородном расположении. Его меньше интересовали вопросы конкретной физики процессов в расширяющейся Вселенной. О теории горячей Вселенной я тогда почти ничего не знал.

Незадолго до окончания аспирантуры я заинтересовался следующим вопросом. Мы знаем, как изучают галактики разных типов на разных длинах волн электромагнитного излучения. Если задаться определенными предположениями об эволюции галактик в прошлом и учесть покраснение света от далеких галактик из-за расширения Вселенной, то можно рассчитать, сколько излучения от галактик на каждой длине волны будет сегодня во Вселенной. При этом надо учитывать, что светят не только звезды, многие галактики интенсивно излучают радиоволны метровой и дециметровой длины.

Я принялся за соответствующие расчеты. К тому времени, закончив аспирантуру, я пришел работать в группу академика Я. Зельдовича, где прежде всего интересовались именно физикой процессов во Вселенной.

Все расчеты были выполнены вместе с А. Дорошкевичем. В результате мы получили расчетный спектр излучения от галактик, то есть того излучения, которое должно заполнять сегодняшнюю Вселенную, если учитывать только излучение, родившееся, когда возникли галактики и стали светить звезды. В этом спектре излучения очень интенсивна должна быть область метровых радиоволн (так как радиогалактики сильно излучают такие волны) и область видимого света (звезды дают его очень много), а в области сантиметровых, миллиметровых и еще несколько более коротких электромагнитных волн излучение должно быть пониженным.

Так как в группе, в которой мы работали (а тогда она состояла всего из трех человек — нашего руководителя, А. Дорошкевича и меня), усиленно обсуждались варианты горячей и холодной Вселенной, то в статье, которую мы с А. Дорошкевичем подготовили для печати, мы к излучению галактик добавили гипотетическое излучение, оставшееся от ранней Вселенной, если она в действительности была горячей. Это излучение горячей Вселенной должно иметь длины волн порядка сантиметров и миллиметров и приходилось как раз на ту область длин волн, где излучение от галактик понижено! Поэтому реликтовое излучение (если Вселенная была горячей!) в этой области длин волн должно во многие тысячи и даже миллионы раз превышать излучение известных источников во Вселенной.

Значит, его можно наблюдать! Несмотря на то что общее количество энергии в реликтовом излучении сравнимо с энергией света от галактик, волны реликтового излучения имеют совсем другую длину волны в поэтому могут быть обнаружены. Вот что говорит в своей нобелевской лекции А. Пензиас о нашей с А. Дорошкевичем работе.

«Первое опубликованное признание реликтового излучения в качестве обнаружимого явления в радиодиапазоне появилось весной 1964 года в краткой статье А. Г. Дорошкевича и И. Д. Новикова, озаглавленной „Средняя плотность излучения в метагалактике и некоторые вопросы релятивистской космологии“. Хотя английский перевод появился в том же году, но несколько позже, в широко известном журнале „Советская физика — Доклады“, статья по-видимому, не привлекла к себе внимания других специалистов в этой области. В этой замечательной статье не только выведен спектр реликтового излучения как чернотельного радиоволнового явления, но также отчетливо сконцентрировано внимание на двадцатифутовом рупорном рефлекторе лабораторий „Белл“ в Кроуфорд Хилл как на наиболее подходящем инструменте для его обнаружения!»

Наша статья осталась не замеченной наблюдателями. Ни А. Пензиас и Р. Вилсон, ни Р. Дикке и его сотрудники до опубликования своих статей в 1965 году о ней ничего не знали, о чем А. Пензиас неоднократно с сожалением мне говорил.

Рассказанное еще не исчерпывает недоразумений, связанных с открытием реликтового излучения.

Оказывается, реликтовое излучение могло быть открыто еще в 1941 году! Канадский астроном Э. Мак-Келлар был одним из тех, кто установил существование молекул в межзвездном пространстве. Способ, которым исследовался межзвездный газ, был следующим. Если свет какой-либо звезды на пути к нам проходит сквозь облако межзвездного газа, то атомы и молекулы этого газа вызывают поглощение света звезды на строго определенных длинах волн. Так возникают в спектре линии поглощения межзвездного газа.

Положение линий в спектре зависит от того, какой элемент или какая молекула вызывали поглощение, а также еще от того, в каком состоянии находятся атомы или молекулы.

В 1941 году Э. Мак-Келлар анализировал линии поглощения, вызываемые в спектре звезды ? Змееносца межзвездными молекулами циана (соединения углерода и азота). Он пришел к выводу, что эти линии (в видимой глазом области спектра) могут возникать только при поглощении света вращающимися молекулами циана. Причем вращение их должно возбуждаться излучением с температурой около 2,3 Кельвина. Ни сам Э. Мак-Келлар, ни кто другой, конечно, не подумали тогда о возможности того, что вращение молекул вызывается реликтовым излучением. Да и сама теория горячей Вселенной тогда еще не была создана!

Только после открытия реликтового излучения были опубликованы в 1966 году три работы: И. Шкловского, Дж. Филда и Р. Тадеуша, в которых показано, что возбуждение вращения межзвездных молекул циана, наблюдавшееся по спектру звезды в созвездии Змееносца, вызвано реликтовым излучением.

Таким образом, еще в 1941 году было обнаружено хоть и косвенное проявление реликтового излучения — его влияние на состояние вращения в межзвездных молекулах циана.

Но и это еще далеко не конец истории.

Вернемся к проблеме технической возможности открытия реликтового излучения. Возникает вопрос: когда техника уже позволяла это сделать? С. Вайнберг пишет: «Трудно ответить точно, но мои коллеги-экспериментаторы говорят мне, что наблюдения могли быть проведены задолго до 1965 года, возможно, в середине 50-х, а может быть, даже и в середине 40-х годов». Так ли это?

Осенью 1983 года мне позвонил сотрудник института общей физики Т. Шмаонов, с которым я до этого не был знаком, и сказал, что он хотел бы побеседовать по вопросам открытия реликтового излучения. Мы встретились в тот же день, и Т. Шмаонов рассказал мне, как он в середине 50-х годов под руководством известных советских радиоастрономов С. Хайкина и Н. Кайдановского проводил измерения радиоволн, шедших из космоса, на длине 3,2 сантиметра. Эти измерения проводились с помощью рупорной антенны, подобной той, которая была использована много лет спустя А. Пензиасом и Р. Вилсоном. Т. Шмаонов со всей тщательностью изучил возможные помехи. Конечно, в его распоряжении тогда не было еще столь чувствительных приемников, которые были потом у американских радиоастрономов. Результаты измерений Т. Шмаонова были опубликованы в 1957 году в его кандидатской диссертации и в советском журнале «Приборы и техника эксперимента». Вывод из этих измерений был таков: «Оказалось, что абсолютная величина эффективной температуры радиоизлучения фона… равна 4° ± 3°K». Т. Шмаонов отмечал независимость интенсивности излучения от направления и от времени. Хотя ошибки измерений Т. Шмаонова велики и говорить о какой-либо надежности цифры 4°K не приходится, мы понимаем теперь, что Т. Шмаонов измерял именно реликтовое излучение. К сожалению, ни сам Т. Шмаонов, ни его руководители, ни другие радиоастрономы, которым были известны результаты его измерений, ничего не знали о возможности существования реликтового излучения и не придали должного значения результатам этих измерений. Их довольно быстро забыли. Когда в 1963 и в 1964 годах после выполнения наших с А. Дорошковичем вычислений мы ходили к многим советским радиоастрономам с вопросом: не известны ли им результаты каких-либо измерений фонового радиоизлучения на сантиметровых или более коротких волнах? — никто из них не вспомнил об измерениях Т. Шмаонова!

Забавно, что даже сам автор измерений не придал им должного значения не только в 50-х, что легко объяснить, но даже после опубликования открытия реликтового излучения в 1965 году А. Пензиасом и Р. Вилсоном. Правда, в то время Т. Шмаонов работал уже совсем в другой области. Только в 1983 году в результате полуслучайных разговоров было обращено внимание на старые измерения, и Т. Шмаонов выступил по этому поводу с докладом на Бюро отделения общей физики и астрономии АН СССР. Это было спустя 27 лет после самих измерений и 18 лет после опубликования результатов А. Пензиаса и Р. Вилсона.

Но даже это еще не все. Когда автор заканчивал эту книгу, он узнал, что были еще измерения японских радиоастрономов в начале 50-х годов, когда якобы также обнаружили фоновое излучение. Эти работы, так же как и работы Т. Шмаонова, ни тогда, ни многие годы спустя не обратили на себя внимания и не были практически никому известны.

Вот как причудлива фортуна. И тем не менее вся эта история весьма поучительна. Увидеть какое-либо явление — еще не значит его открыть. Надо осознать значение обнаруженного, надо правильно его объяснить. Конечно, тут играют роль и стечение многих обстоятельств, и просто удача. Но успех никогда не приходит совершенно случайно. Он требует огромного труда, больших знаний, настойчивости и в самой работе, и в доведении ее результатов до сознания других.