Гамов рассудил, что поначалу Большой взрыв был чрезвычайно интенсивным, поэтому его можно считать идеальным источником черного тела. В 40-х гг. XX в. техника была слишком примитивной, чтобы поймать слабый отзвук сотворения, однако Гамов сумел вычислить температуру этого излучения и с уверенностью предсказать, что когда-нибудь наши приборы приобретут достаточную чувствительность для выявления «реликтовых» излучений. Логика его рассуждений была такова: примерно через 300 тысяч лет после Большого взрыва Вселенная остыла до такой степени, что атомы смогли начать конденсироваться; электроны принялись окружать протоны, образуя устойчивые атомы, которые уже не разрушались под интенсивным воздействием излучения, пронизывающего Вселенную. До этого момента Вселенная была настолько раскалена, что излучение разрывало атомы сразу же после их образования. Это означало, что Вселенная была непрозрачной, как густой, поглощающий свет и непроницаемый туман. Но по прошествии 300 тысяч лет излучение уже не имело такой силы, чтобы разрушать атомы, поэтому свет преодолевал огромные расстояния, не рассеиваясь. Иными словами, через 300 тысяч лет Вселенная вдруг стала черной и прозрачной. (Мы так привыкли к выражению «чернота космоса», что забыли о том, что ранняя Вселенная была совсем не прозрачной, а наполненной вихревым непрозрачным излучением.)
Прошло 300 тысяч лет, электромагнитное излучение взаимодействовало с материей уже гораздо слабее, следовательно, стало излучением абсолютно черного тела. По мере остывания Вселенной частота этого излучения постепенно снижалась. Гамов и его ученики подсчитали, что это излучение гораздо слабее инфракрасного и относится к микроволновому диапазону. Гамов пришел к следующему выводу: исследуя небеса в поисках постоянного изотропного источника микроволнового излучения, можно выявить это микроволновое излучение и уловить эхо Большого взрыва.
О предсказании Гамова не вспоминали много десятилетий, до тех пор пока в 1965 г. случайно не было открыто микроволновое фоновое излучение. Включив новую рупорно-параболическую антенну в Холмделе, Нью-Джерси, Пензиас и Уилсон обнаружили, что все пространство пронизано неким таинственным фоновым излучением. Поначалу они решили, что нежелательное излучение вызвано электростатическими помехами от загрязнений: например, от птичьего помета на их антенне. Но после демонтажа и чистки больших модулей антенны выяснилось, что «статика» устояла. В то же время физики из Принстонского университета Роберт Дикке и Джеймс Пиблс задумались над давними расчетами Гамова. Когда Пензиасу и Уилсону наконец сообщили о работе принстонских ученых, стало ясно, что между результатами, полученными обеими группами, есть прямая связь. Говорят, когда физики поняли, что фоновое излучение может оказаться эхом изначального Большого взрыва, то воскликнули: «Либо мы видели кучу птичьего дерьма, либо сотворение Вселенной!» Они убедились, что постоянное фоновое излучение почти точно соответствует предсказаниям, сделанным много лет назад Георгием Гамовым и его коллегами для случая, если от Большого взрыва действительно сохранился остаточный слой излучения, остывшего до 3 K[17].
СОВЕ и Большой взрыв
Вероятно, наиболее эффектное научное подтверждение теория Большого взрыва получила в 1992 г. благодаря данным спутника СОВЕ (Cosmic Background Explorer – Исследователь космического фона). 23 апреля газеты всей страны возвестили об открытиях группы ученых из Калифорнийского университета в Беркли во главе с Джорджем Смутом, объявивших о самом впечатляющем и убедительном доводе в пользу теории Большого взрыва. Журналисты и колумнисты, не располагающие знаниями в области физики или богословия, внезапно принялись расточать красноречие, разглагольствуя о «лице Бога».
Спутник СОВЕ мог существенно улучшиь более раннюю работу Пензиаса, Уилсона, Пиблса и Дикке и получить величины, достаточные для исключения любых сомнений в том, что найдено действительно реликтовое излучение Большого взрыва. Специалист по космологии из Принстона Иеремия Острайкер объявил: «Когда среди горных пород были найдены окаменелости, происхождение видов стало бесспорным. А теперь СОВЕ нашел свои "окаменелости"»{89}. Запущенный в конце 1989 г. спутник СОВЕ предназначался для анализа мельчайших деталей структуры микроволнового фонового излучения, идею которого впервые выдвинули Георгий Гамов и его коллеги. На СОВЕ была возложена и еще одна, новая задача: разрешить проблему, возникшую в связи с фоновым излучением.
Исходная работа Пензиаса и Уилсона была незавершенной, они могли показать только, что равномерность фонового излучения выросла на 10 %. Когда же ученые подробно проанализировали фоновое излучение, то обнаружили, что оно исключительно равномерно – без видимых всплесков и отклонений. На самом деле оно было чересчур равномерным. Фоновое излучение напоминало однородный незримый туман, наполняющий Вселенную, настолько единообразный, что ученые с трудом примирили этот факт с известными астрономическими данными.
В 1970-х гг. астрономы с помощью огромных телескопов занялись систематическим составлением карт гигантских скоплений галактик на обширных участках неба. И с изумлением обнаружили, что по прошествии миллиарда лет после Большого взрыва во Вселенной уже действовала характерная модель образования отдельных галактик и даже крупных скоплений галактик, а также громадных пустот – войдов. Скопления были обширными, содержали миллиарды галактик, а войды простирались на миллионы световых лет.
И здесь таилась космическая загадка: если Большой взрыв отличался исключительной равномерностью и единообразием, тогда один миллиард лет – недостаточно продолжительный период для формирования скоплений галактик, которые мы наблюдаем. Явное несоответствие между изначальной однородностью Большого взрыва и неоднородностью Вселенной миллиард лет спустя – проблема, которая не давала покоя космологам, заставляя их всех ломать голову. Проблему представляла не теория Большого взрыва как таковая, а наши представления об эволюции уже после Большого взрыва, через один миллиард лет после сотворения. Но без высокочувствительных спутников, способных измерить космическое фоновое излучение, проблема сохраняла остроту на протяжении многих лет. К 1990 г. журналисты, не имеющие серьезной научной подготовки, принялись публиковать сенсационные статьи, в которых ошибочно утверждали, что ученые нашли роковую ошибку в самой теории Большого взрыва. Многие журналисты писали, что теория Большого взрыва вскоре будет опровергнута. В прессе начали всплывать давно дискредитированные альтернативы теории Большого взрыва. Даже газета The New York Times опубликовала большую статью, в которой утверждалось, что теория Большого взрыва столкнулась с серьезными затруднениями (что неверно с научной точки зрения).
Благодаря этой псевдодискуссии вокруг теории Большого взрыва усилился интерес к обнародованию данных, полученных спутником COBE. С небывалой скрупулезностью выявляя отклонения в пределах одной стотысячной, спутник СОВЕ сканировал небо и передавал по радиосвязи самую точную из существующих карту космического фонового излучения. Результаты СОВЕ подтвердили теорию Большого взрыва и не только.
Однако проанализировать данные СОВЕ было непросто. Группа ученых во главе со Смутом столкнулась с чудовищными проблемами. К примеру, надо было исключить в расчетах влияние движения Земли на фоновое излучение. Солнечная система движется со скоростью 370 км/сек по отношению к фоновому излучению. Кроме того, Солнечная система перемещается относительно галактики, а сама галактика совершает сложное перемещение относительно скоплений других галактик. Тем не менее после доскональной модернизации компьютерных программ анализ дал несколько поразительных результатов. Во-первых, реликтовое, или микроволновое, фоновое излучение соответствовало ранним прогнозам Георгия Гамова (скорректированным благодаря уточненным экспериментальным данным) с отклонением не более 0,1 % (рис. 9.1). Сплошной линией на рисунке обозначены прогнозы, крестиками – точки, данные для которых получены спутником СОВЕ. Когда эта кривая впервые возникла на экране во время встречи примерно тысячи астрономов, присутствующие встали и устроили овацию. Возможно, впервые в истории науки простой график вызвал столь бурные аплодисменты такого большого числа видных ученых.
Во-вторых, команда Смута сумела доказать присутствие в микроволновом фоновом излучении крохотных, почти микроскопических всплесков. Именно эти всплески помогли объяснить скопления и войды, найденные через миллиард лет после Большого взрыва. (Если бы спутник СОВЕ не обнаружил никаких всплесков, тогда анализ событий, произошедших после Большого взрыва, пришлось бы всесторонне пересмотреть.)
