Нобелевскую премию по физике в 2006 году получили два американских космолога — 60-летний Джон Мейзер и его коллега 61 — летний Джордж Смут . Согласно формулировке Шведской Королевской академии наук, она присуждена ученым за «открытие чернотельности спектра и анизотропию космического фонового излучения».
Что видно в телевизоре?
Фоновое, или реликтовое, излучение, которое изучали нобелевские лауреаты — «пережиток» свечения когда-то раскаленного газа, заполнявшего всю Вселенную на ранней стадии ее существования, нетрудно обнаружить каждому. Достаточно… включить телевизор на пустой канал. Излучение работающих электромоторов, искрение сварки, магнитные бури, являющиеся следствием вспышек на Солнце, взрывы сверхновых и прочие звездные процессы — все это так или иначе вносит свой вклад в рябь и шум телеприемника; есть в этом хаосе сигналов и следы реликтового излучения.
Но если все гак просто, то почему всемирно известный британский теоретик Стивен Хокинг сказал, что полученные результаты являются открытием столетия или даже, возможно, и самым грандиозным научным событием за всю историю человечества? Оказывается, благодаря усилиям лауреатов и их коллег космология из описательной науки превратилась в точную отрасль человеческого знания.
В самом деле, лет пятнадцать тому назад даже многие астрономы пренебрежительно называли космологию разделом философии или даже теологии — ведь прямых фактических подтверждении теориям космологов, как правило, не было. Однако с тех пор ситуация кардинально изменилась.
Нобелевская премия свалилась на астрофизиков Джона Мейзера (слева) и Джорджа Смута (справа) практически из космоса.
Большие последствия малых неравномерностей
В 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл обнаружил, что галактики разлетаются от центра; стало быть, Вселенная — это не стационарный, а эволюционирующий объект. Вычисления Хаббла заложили основу современной теории Большого взрыва. Иначе ее еще называют стандартной моделью. Согласно этой модели, наша Вселенная возникла чуть менее 14 млрд. лет тому назад в результате спонтанного взрыва (его причину еще предстоит отыскать) невообразимо плотной материи, которая была сконцентрирована в точке размером с булавочную головку. Эта точка при взрыве выбросила огромное количество энергии, а также материи, из которой затем и образовались все галактики, звезды, планеты и другие небесные тела. Этот же момент стал и началом отсчета времени, поскольку до него классические законы попросту не действовали.
Своеобразным «эхом» Большого взрыва и является то самое фоновое, или реликтовое, излучение, о котором говорилось выше. Наличие такого излучения теоретически предсказал еще в 1948 году российский ученый Георгий Гамов, уехавший на Запад. Экспериментально оно было обнаружено Арно Пензиасом в 1965 году, за что 13 лет спустя он вместе с коллегой Робертом Вильсоном получил Нобелевскую премию.
В то время речь шла лишь об изотропном, то есть одинаковом во всех направлениях, излучении. Однако теоретики полагали, что после Большого взрыва должна была иметь место и анизотропия, то есть неоднородность, излучения. Только так можно объяснить, почему во Вселенной образовались те сгустки материи, из которых в конце концов сконденсировались все современные небесные тела.
С целью экспериментального подтверждения выводов теоретиков и был затеян эксперимент СОВЕ (Cosmic Background Explorer), в осуществлении которого и приняли самое деятельное участие нынешние лауреаты вместе с тысячами других специалистов разных отраслей.
Началась работа в 1974 году. Однако реализовать проект удалось лишь 15 лет спустя; спутник СОВЕ был запущен 18 ноября 1989 года.
«Затем мы 4 года получали со спутника информацию и накапливали ее массив, — говорит Мейзер. — После этого еще несколько лет анализировали полученную информацию, пока, наконец, смогли предъявить первые результаты»…
Впрочем, задержка с запуском имела и положительный аспект, отмечает лауреат. За это время были значительно усовершенствованы измерительные приборы, что в конечном итоге и привело к победе.
Наиболее важными были две группы приборов. Дифференциальные микроволновые радиометры, настроенные на три разные частоты, были предназначены для обнаружения анизотропии — пространственной неравномерности распределения температуры реликтового излучения. За эту часть оборудования и измерений отвечал Джордж Смут. А вот высокоточное измерение реликтового излучения с помощью спектрофотометра курировал Джон Мейзер. Он же осуществлял общее руководство проектом.
«В итоге мы заглянули в то время, когда Вселенной было 300–400 тысяч лет, — говорит Дж. Смут. — Казалось бы, и это солидный срок. Однако вспомните, общий возраст Вселенной составляет почти 14 млрд. лет. Так что если провести аналогию с возрастом человека, то получается, что исследователи смогли зафиксировать развитие эмбриона на самом начальном этапе его развития.
Ищите объяснения…
Но зачем нужен был дорогой проект, обошедшийся в десятки миллионов долларов? Не проще ли (и дешевле) было измерять реликтовое излучение прямо с Земли? Ведь оно, как уже отмечалось, вездесуще…
По словам профессора Мейзера, вести точные наблюдения с Земли очень сложно. Атмосфера поглощает некоторую часть космического излучения, а взамен него генерирует свое собственное. Кроме того, как сказано, существует множество помех чисто земного происхождения. Все это весьма затрудняет наблюдения, так что просто необходимо было выйти в космос.
Проблема затруднялась еще тем, что теоретики не могли предсказать хотя бы порядок величины отклонений, которые предстояло зафиксировать. Сначала речь шла о процентах, затем о десятых долях процента, наконец, о сотых… На самом деле, как оказалось, изменения эти не превышают десятитысячных долей процента. Так что будь приборы чуть грубее, никакого открытия не было бы…
Кроме того, в 1992 году впервые было доказано, что спектр фонового излучения совпадает с излучением так называемого абсолютно черного тела. А этот спектр характерен тем, что распределение энергии излучения зависит исключительно от температуры.
Заодно выяснилось, что на ранних стадиях температура Вселенной составляла около 3000 градусов Цельсия. С тех пор Вселенная остыла. Измеряемая в наши дни величина всего на 2,7 градуса превышает абсолютный нуль.
Так выглядит сегодня анизотропная Вселенная.
Джон Мейзер полагает, что этот факт действительно говорит о том, что излучение является эхом Большого взрыва: «Иначе невозможно объяснить точное соответствие измеренного нами спектра со спектром идеального черного тела».
Правда, некоторые ученые попытались найти и иные объяснения этому факту. Но пока ничего вразумительного предложить не смогли. А если найдут — это, на верное, будет основанием для присуждения очередной Нобелевской премии. Ведь тогда теоретикам придется изобретать и новый вариант образования Вселенной.
Г. МАЛЬЦЕВ , научный обозреватель «ЮТ»
Кстати…
А ГДЕ ЖЕ НАШИ?
Говорят, в списке нобелевских лауреатов могли бы появиться и русские фамилии, если бы не некоторые «но»… Дело в том, что в 1983 году в СССР был запущен спутник «Прогноз-9» (см. рисунок).
Он удалился от Земли на расстояние 700 тыс. км — далеко за орбиту Луны — и там, на просторе, обнаружил первые проявления анизотропии. Полученные данные были обработаны и в январе 1992 года доложены в Астрономическом институте имени Штернберга. Затем статьи об открытии анизотропии, подписанные Игорем Струковым, Дмитрием Скулачевым, Андреем Брюхановым и Михаилом Сажиным, прошли в «Письмах в Астрономический журнал» АН СССР, а также в английском Monthly Notices Royal Astronomical Society, издаваемом Королевским обществом. И только после этого в мае 1992 года статью с подтверждением об открытии анизотропии реликтового излучения опубликовали американцы. Правда, качество их данных оказалось выше, поскольку спутник США был новее. Кроме того, американцы запустили вскоре еще один специализированный спутник W-MAP, получив уточненные данные.
Российские ученые хотели отыграться и опередили американских коллег на шесть лет, запустив весной 1983 года спутник «Прогноз-9». По словам Дмитрия Скулачева, одного из авторов проекта, он начал передавать весьма интересные данные, но в феврале 1984 года упал на Луну и прекратил свое существование. Запуску следующего спутника помешала перестройка. И постепенно о российских ученых, которые перестали участвовать в научной гонке, забыли.