Страница 5 из 6
Персонажи моей любимой истории о «недогадливых» ученых – Фред Хойл и Георгий Гамов. В 1956 году Хойл приехал в Ла-Хойю в Калифорнии, где в тот момент проездом находился и Гамов, который катался по округе на своем новеньком белом кадиллаке-кабриолете (очень типично для него). В этот период Гамов, главный защитник идеи Большого взрыва, утверждал, что Вселенная наполнена излучением с температурой около 5 К, а Хойл, основной агитатор за модель стационарной Вселенной, настаивал, что этого излучения не существует. Этим двоим было о чем поговорить. В статье для журнала New Scientist[21] 1981 года Хойл вспоминал:
Иногда мы с Георгием уезжали вдвоем поспорить. Помню, Георгий возил меня по округе на белом кадиллаке, толкуя о своем убеждении, что во Вселенной должно быть реликтовое излучение, а я отвечал ему, что с такой высокой температурой, как он говорит, излучения быть не может, потому что наблюдения над радикалами CH и CN, проведенные Эндрю Маккелларом, установили для подобного фона верхний предел в 3 К. То ли нас слишком разнежил комфорт кадиллака, то ли захватил спор (Георгий говорил, что температура выше 3 К, а я – что 0 К), но, так или иначе, мы упустили свой шанс. ‹…› И видимо, за грехи мои я еще раз точно так же упустил его, обсуждая с Бобом Дикке проблемы теории относительности в 1961 году, во время 20-й итальянской летней школы физики в Варенне. Я явно просто не был готов открыть реликтовое излучение{9}.
И все остальные, помимо Пензиаса и Вильсона, тоже не были к этому готовы! По сути, Гамову, которого «обскакали», некого было винить, кроме самого себя.
К 1964 году даже Хойл начал сомневаться в стационарной модели Вселенной, по крайней мере, в ее простейших принципах. Выяснилось, что внутри звезд не могло образоваться достаточно гелия, и он начал исследовать возможность его появления в другом месте. Возможно, был не один Большой взрыв, а несколько Маленьких взрывов в разных точках Вселенной? Хойл развил эту гипотезу совместно с младшим коллегой Роджером Тайлером[22]. Они совместно просчитали, что подобная последовательность событий должна была повлечь за собой массу фонового излучения; Хойл, конечно, уже знал о работе Альфера и Хермана, но пришел к аналогичному заключению другим путем. Однако даже в 1964 году он не соотнес свои выводы с наблюдениями Маккеллара. В первом варианте подготовленной к печати статьи Хойл и Тайлер предсказывали открытие космического фонового излучения, но Хойл удалил эту часть перед публикацией, хотя Тайлер, как он сам много позже признавался мне, хотел ее оставить.
Ближе всех к открытию реликтового излучения подошли (и тоже не довели дело до конца!) в СССР. Проделав в течение нескольких месяцев огромную работу, отчет о которой вышел в 1964 году, советские ученые сложили, казалось, все части головоломки, не хватило лишь одной. Яков Борисович Зельдович[23], один из колоссов советской науки, осуществил расчеты, аналогичные тем, что провел коллектив Гамова, и тоже пришел к выводу, что Вселенная должна была начаться с горячего Большого взрыва, оставившего фоновое излучение с температурой в несколько кельвинов. Он даже знал о статье Ома в «Техническом журнале Bell System», но, как мы увидим, неверно интерпретировал выводы автора. Менее известный советский астроном Юрий Смирнов оценил температуру фонового излучения как находящуюся в диапазоне между 1 и 20 К. Отталкиваясь от его расчетов, Андрей Дорошкевич и Игорь Новиков[24] опубликовали статью, в которой отметили, что наилучшим образом подготовленная к обнаружению такого излучения антенна – рупорная антенна на Кроуфордском холме. Почему же советские исследователи не поняли, что Ом уже открыл это излучение? Из-за ошибки в переводе. В статье Ома утверждалось, что измеренная им температура неба составила около 3 К. Это означало, что он вычел все возможные источники радиопомех и что 3 К – это температура оставшегося фона. Однако по случайному совпадению такой же (3 К) была и температура излучения атмосферы, поправку на которую Ом тоже сделал. Советские специалисты ошибочно решили, что именно эти 3 К и остались у Ома после всех предыдущих корректировок, вычли и их и остались ни с чем. В наши дни подобные ошибки понимания легко устранились бы в процессе электронной переписки, но в начале 1960-х годов коммуникация между учеными Советского Союза и Соединенных Штатов была весьма затруднена.
Несмотря на все фальстарты и недопонимания, космическое микроволновое фоновое излучение в итоге удалось открыть. В течение последующих десятилетий его изучали все более глубоко, и некоторые плоды этих исследований будут описаны во второй части этой книги. Главное здесь то, что это излучение, обладающее температурой 2,712 К, подтверждает, что Вселенная в таком виде, в каком она нам известна сегодня, имеет конкретное начало, относящееся к конкретной временной точке. Но какой именно точке? Вот здесь-то и начинается самое интересное…
Часть I
Как узнать возраст звезд?
Глава 1
2,898
Предыстория: спектры и природа звезд
В 1835 году философ-позитивист Огюст Конт[25] писал: «Не существует разумного способа, которым мы могли бы когда-либо определить химический состав звезд». Он не знал тогда, что, по сути, первые шаги к этому определению уже предприняты и вскоре после его смерти, в 1857 году, процесс будет завершен.
Чтение по линиям
Эти первые шаги были сделаны в 1802 году, когда Конту было всего четыре года от роду, английским ученым и врачом Уильямом Волластоном[26]. Несмотря на частичную потерю зрения в 1800 году, этот ведущий исследователь того времени смог сделать значительный вклад в оптику. Его открытие 1802 года было сделано во время изучения радужного спектра солнечного луча, пропущенного через узкую щель и стеклянную призму (опыт Исаака Ньютона). Волластон заметил, что между цветами радуги видны темные полосы: он насчитал две в красном спектре, три в зеленом и еще две в диапазоне от голубого до фиолетового. Ученый ошибочно заключил, что это просто зазоры между цветами, и не продолжил исследование феномена. Однако его открытие заинтриговало других исследователей, в особенности немца Йозефа фон Фраунгофера[27], которому в 1810-х годах удалось добиться намного более детального спектра и обнаружить 574 отдельные темные полоски. Сегодня их известно даже больше, они получили название фраунгоферовых линий. Полоски сосредоточены на коротком отрезке спектра и напоминают штрихкод. Но откуда же они взялись?
Отчасти на этот вопрос своими опытами сумели ответить в 1850–1860-х годах немецкие ученые Роберт Бунзен и Густав Кирхгоф[28]. Имя Бунзена известно каждому, кто когда-либо изучал химию, благодаря легендарной бунзеновской горелке, хотя на самом деле придумал ее Майкл Фарадей, а доработал ассистент Бунзена Петер Десага (он использовал имя своего более известного руководителя для продвижения собственной модели устройства). Впрочем, важно, не кто был автором горелки, а что Бунзену и Кирхгофу удалось с ней сделать.
В начале 1850-х годов в Гейдельберге провели трубопровод для снабжения горючим угольным газом (метаном) домов и фабрик, а также научных лабораторий при университете. Это вдохновило Бунзена на эксперименты с пресловутой горелкой. Внутри нее кислород строго определенным образом соединяется с угольным газом, продуцируя прозрачный огонь, идеальный в использовании для «реакции в пламени», идентифицирующий вещества по окраске, которую они придают огню. Изначально Бунзен использовал для калибровки своих наблюдений цветные фильтры, но Кирхгоф решил, что точнее будет проводить анализ с помощью спектроскопа. Они совместно создали аппарат с узкой щелью для света, специальным устройством для сужения луча – коллиматором, призмой для преломления луча и получения радужного спектра, а также линзой, похожей на микроскопную, для изучения спектра. Хотя Фраунгофер тоже применял в работе призму и линзу, только здесь впервые все эти компоненты оказались объединены в один инструмент – спектроскоп.
21
Еженедельный научно-популярный журнал на английском языке; с 1996 года также поддерживается сайт, на котором публикуются современные исследования для широкого круга читателей. Прим. ред.
9
Перепечатано в сборнике Observing the Universe под ред. Найджела Хенбеста. Оксфорд: Blackwell, 1984.
22
Роджер Тайлер (1929–1997) – британский астроном; внес важный вклад в исследования строения и эволюции звезд, устойчивости плазмы, нуклеогенеза и космологии. Прим. ред.
23
Яков Зельдович (1914–1987) – советский физик и физикохимик, академик АН СССР, доктор физико-математических наук, профессор. Трижды Герой Социалистического Труда (1949, 1954, 1956). Прим. ред.
24
Андрей Дорошкевич – советский астрофизик. Игорь Новиков (р. 1935) – российский астрофизик-теоретик и космолог. В середине 1980-х годов сформулировал принцип самосогласованности Новикова, ставший важным вкладом в теорию путешествий во времени. Прим. ред.
25
Огюст Конт (1798–1857) – французский философ, социолог, методолог и популяризатор науки, преподаватель Парижского политехникума, основатель школы позитивизма, социальный реформатор, оставивший большое литературное наследие, в том числе шеститомный «Курс позитивной философии» (1830–1842). Прим. ред.
26
Уильям Волластон (Уолластон) (1766–1828) – английский ученый, который открыл палладий (1803) и родий (1804), впервые получил (1803) в чистом виде платину. Прим. ред.
27
Йозеф Фраунгофер (1787–1826) – немецкий физик, знаменитый оптик, сын бедного стекольщика, работавший в мастерской отца. Прим. ред.
28
Роберт Бунзен (1811–1899) – немецкий химик-экспериментатор. Густав Кирхгоф (1824–1887) – один из великих физиков XIX века. Прим. ред.