Зачем радиоастрономам дробовик? Отрывок из книги "Гонка за Нобелем"

Как и герои приведенного отрывка, Брайан Китинг занимается изучением реликтового излучения — отголосков Большого взрыва, пытаясь понять, как возникла Вселенная, что она собой представляет и какая судьба ее ждет. Задача эта чрезвычайно сложная. Чтобы получить не то что ответы, а хотя бы наводки, нужно провести эксперименты. Астрофизикам приходится особенно тяжело (да не обидятся на нас ученые из других областей): к примеру, для одного эксперимента Китинга понадобилось установить оборудование в Антарктиде — и это еще не все мытарства. В астрофизике на проверку гипотез часто уходят десятилетия и огромные деньги. Каждый проект — авантюра, зато в случае успеха ученый может рассчитывать на высочайшее признание — Нобелевскую премию. В книге "Гонка за Нобелем: История о космологии, амбициях и высшей научной награде" Китинг рассказывает, как вместе с коллегами был близок к прорыву, но поторопился и сел в лужу. По мнению ученого, может, этого и не случилось бы, если бы не заветный приз, который в нынешнем виде вредит науке и нуждается в реформе. Китинг изучает реликтовое излучение, а в приведенном отрывке идет речь о том, как его открыли в 1960-х годах. В то время уже существовала теория Большого взрыва, но с ней конкурировала полностью противоположная модель стационарной Вселенной: вечной, медленно создающей материю из пустоты и потому сохраняющей одну плотность. У модели стационарной Вселенной было немало сторонников, которые посмеивались над оппонентами: мол, не в Библии ли вы нашли свой Большой взрыв? Когда было открыто и объяснено реликтовое излучение, шутки стихли. Коммуникационные сбои В то время как 1960-е годы стали периодом серьезных потрясений для американского общества, для физики они были поистине золотым веком. Как ни парадоксально, от холодной войны между США и СССР научный мир получал щедрые дивиденды. Запуск Советским Союзом первого искусственного спутника на орбиту Земли заставил правительство США вливать деньги в любые проекты, дающие хотя бы малейшую надежду на потенциальное военное превосходство. Тогда же наступила новая эра в финансировании науки в частном секторе, а такие компании, как Kodak, Bell Labs и IBM, начали играть роль современных Медичи. В Bell Labs — в те времена это было исследовательское подразделение телекоммуникационного конгломерата AT&T — построили огромную радиоантенну особой конструкции в виде рупора диаметром 6 м. Предназначалась она не для радиоастрономии, а для межконтинентальной связи и вместе с гигантским воздушным шаром с металлизированной оболочкой должна была использоваться в проекте НАСА с говорящим названием "Эхо". Идея проекта была проста: посылать из лаборатории реактивного движения в Пасадене, Калифорния, радиоволны, чтобы, отражаясь от наполненного гелием воздушного шара, находящегося на большой высоте, они возвращались на антенну Bell Labs. Успех проекта "Эхо" оказался под вопросом, так как интенсивность радиоволн стремительно снижалась с расстоянием, что существенно затрудняло прием трансконтинентальных радиосигналов. Технические проблемы программы были существенны, а запуск советского спутника и вовсе свел ее на нет. Американское правительство опасалось, что Соединенные Штаты могут проиграть не только космическую, но и телекоммуникационную гонку. Размещение передатчика в космосе позволяло решить многие из проблем, связанных с воздушными шарами. Поскольку передатчик мог усиливать радиоволны, сигналы, передаваемые им обратно на Землю, были намного сильнее. И находивший в космосе спутник становился видимым на принципиально бо́льших расстояниях. Ответом США Советскому Союзу стал первый активный спутник связи Telstar. Антенна Bell Labs с ее сверхчувствительной детекторной системой осталась не у дел, но, к счастью, ей нашли другое применение. Два радиоастронома, Арно Пензиас и Роберт Уилсон, быстро перековали телекоммуникационные мечи на космологические орала. Массивную рупорную антенну они приспособили под телескоп для астрономических наблюдений, который в скором времени нанес второй смертельный удар по стационарной космологической модели Хойла. В поисках ничто и не там, где надо Пензиас и Уилсон были радиоастрономами и специализировались на радио- и микроволновой части электромагнитного спектра — на электромагнитных волнах с длиной волны от 1 м до 1 мм, что соответствует частотам от 300 МГц до 300 ГГц. Во время обучения в Калтехе Уилсон посещал лекции по космологии самого Фреда Хойла в тот период, когда тот вместе с Вилли Фаулером занимался разработкой теории звездного нуклеосинтеза. Идеи Хойла и его модель стационарного состояния Вселенной произвели на Уилсона глубокое впечатление. Свой путь в историю два радиоастронома начали с простой цели: найти ничто. Но зачем искать ничто? Дело в том, что таким образом они могли откалибровать антенну, чтобы использовать ее как телескоп. Если видимый свет отражается от каждой заряженной частицы и крупицы пыли, которая встречается у него на пути, то радиоволны перемещаются через межзвездное пространство почти беспрепятственно. Однако в 1964 году, всего через три десятилетия после того, как было открыто радиоволновое излучение Млечного Пути и положено начало новой науке — радиоастрономии, очень мало было известно о том, как "выглядит" наша Галактика на более высоких частотах, т.е. в микроволновом диапазоне излучения с длиной волн в 10–100 раз короче, чем у радиоволн. Астрономов интересовало, зависит ли микроволновое излучение Млечного Пути от того, куда вы смотрите. Предполагалось, что если смотреть в направлении, далеком от дисковой части Галактики, в сторону так называемых высоких галактических широт, то излучение меньше, подобно тому как звезды в зените видятся нам более четко, чем звезды у горизонта. Радиоастрономы также ожидали, что галактическое излучение на более высоких частотах (с более короткими длинами волн) должно быть намного слабее, чем на низких. Следовательно, если настроить радиотелескоп на высокие частоты и направить его на галактические полюса, он не должен уловить никаких волн. Пензиас и Уилсон знали, что даже для наблюдения за самой спокойной точкой Галактики в направлении одного из ее полюсов и вдали от ее диска в первую очередь требуется откалибровать инструмент. Калибровка необходима во всех экспериментах, но особенно в астрономических, где физически невозможно добраться до источника сигнала. Чтобы откалибровать свой инструмент, астрономы направляют его на источник с известной величиной излучения и сравнивают показания измерений с этой величиной. Одна такая величина — это ноль, т.е. место, откуда не исходит никаких микроволн. Если задача "найти ничто" представляется вам сомнительным научным предприятием, отчасти вы правы: попробуйте получить финансирование под такой проект. Но когда вы смотрите в бездну, порой происходят удивительные вещи. Как и Уильям Гершель, который рассчитывал найти несколько новых звезд, а вместо этого открыл планету Уран, Пензиас и Уилсон с их сверхчувствительным радиотелескопом поставили перед собой скромную цель: "Мы пытались убедиться в том, что нельзя измерить отсутствие излучения Млечного Пути, но вместо этого обнаружили излучение, исходящее, очевидно, из-за пределов Млечного Пути". Поначалу они восприняли это излучение как досадный радиошум. Радиоастрономы измеряют интенсивность электромагнитных волн несколько странным способом, а именно с точки зрения того, насколько горячим, в градусах Кельвина, должен быть идеальный источник излучения — абсолютно черное тело, чтобы испускать обнаруженные ими сигналы. Таким образом, радиоастрономы говорят, что данный источник излучает столько-то кельвинов. Это также означает, что с помощью радиотелескопа можно дистанционно "измерять температуру" астрономических объектов с такой же точностью, как мы измеряем температуру более доступных земных объектов с помощью термометра. В 1961 году, за три года до Пензиаса и Уилсона, инженер Bell Labs Эдвард Ом пытался откалибровать эту же антенну, но нашел ее слишком "шумной". Совершенных радиотелескопов не существует: любой инструмент генерирует некоторый шум, т.е. даже если направить его на объект с температурой абсолютный ноль, прибор покажет, что тот излучает какое-то тепло. Однако Ом счел, что телескоп слишком шумный, даже после того, как выявил и учел все возможные источники ошибки, так называемую "систематическую погрешность". Ом суммировал вклад всех известных ему источников помех, производивших избыточный сигнал, который показывали измерения: 22,2 кельвина с погрешностью в 2,2 кельвина. (На первый взгляд это преобладание "2" кажется подозрительным, но для Ома дело было не в двойках.) Модель Ома предполагала, что, если направить телескоп на самые темные участки неба, тот должен показать температуру около 19,1 кельвина. Именно этого он и ждал. Однако при измерениях она оказывалась почти на 3 кельвина больше расчетной величины — 22,2 кельвина. Ом списал этот избыток на неудачу и отмахнулся от не устраивавших его данных. При этом он допустил непростительную при анализе данных ошибку — склонность к подтверждению своей точки зрения. Вместо того чтобы предположить, что сигнал реален, и попытаться докопаться до его причины, он откинул его, исходя из своих представлений о том, каким этот сигнал должен быть. На самом деле ложноотрицательный результат хуже ложноположительного: если не говорить о шоке при страшном известии, то, как вы думаете, что лучше — чтобы ваш доктор не смог диагностировать у вас рак, который есть, или чтобы он сказал, что у вас рак, тогда как вы не больны? В своей статье Ом делал ложноотрицательный вывод: нет необходимости учитывать фоновое тепловое излучение, предсказанное в расчетах Альфера и Германа. Всякий раз, когда я думаю об этом, у меня возникает острое желание схватить Ома за его узкий черный галстук по моде 1960-х и спросить: "Как ты мог, Эдвард?" Это противоречит всему тому, чему учат студентов-практикантов в научных лабораториях: нельзя относиться к данным избирательно, отбрасывая те, которые вам не нравятся. Впрочем, Ом и без того понес суровое наказание, собственноручно лишив себя Нобелевской премии. Свет, которого не видел Ом Айзек Азимов однажды сказал, что архетипическая реакция настоящего ученого на новое открытие вовсе не "Эврика!", а сомнение. Часто это сомнение смешивается со страхом — страхом ошибиться, стать жертвой непреднамеренного заблуждения и опорочить свою репутацию. Пензиас и Уилсон были храбрыми. Они не стали списывать расходящиеся с нулем результаты измерений на несовершенное оборудование. Вместо этого ученые решили узнать причину раздражающего радиошума — это реальность или просто они что-то сделали не так? Поначалу их рупорная антенна была развернута в сторону Нью-Йорка, который находился всего в 80 км от Холмдела и со своим лесом радиовышек был наиболее очевидным источником потенциального загрязнения. Понятно, что никому бы в голову не пришло устанавливать оптический телескоп в сверкающем огнями районе Лас-Вегас-Стрип. Но эта антенна первоначально предназначалась для связи, а не для радиоастрономии, поэтому и была построена так близко к мегаполису. Астрономы отвернули ее в сторону, чтобы избежать шума, но сигнал сохранялся, куда бы они ее ни направили. Не сумев возложить вину на ньюйоркцев, Пензиас и Уилсон принялись искать других виновников загрязнения сигнала. Вскоре они обнаружили новые улики: в уютном, защищенном от непогоды и хищников рупоре антенны обосновалось семейство голубей, покрыв внутреннюю поверхность рупора большим количеством "белого диэлектрика". Ну что возьмешь с птичек? Пензиас и Уилсон тщательно очистили свой рупор от помета и отвезли пернатых в Филадельфию. Но голуби вернулись обратно — недаром птицы славятся своей способностью находить путь домой. "Чтобы избавиться от них, пришлось достать дробовик… Никто из нас не был в восторге от такого решения проблемы, но это был единственный выход", — покаянно вспоминал впоследствии Арно Пензиас. Но и победа над голубями не позволила избавиться от радиошума. Оставался только один источник, который мог производить такой сигнал, исходящий со всех сторон, неизменный и непрерывный, в любое время дня и ночи: сам космос. Конечно, это еще требовалось доказать. И подтверждение, как ни странно, пришло от соперников, которые даже не собирались вступать в бой. "Парни, нас обскакали!" — с перекошенным от досады лицом сообщил коллегам Боб Дикке. Он только что поговорил по телефону с Арно Пензиасом. Тот получил номер Дикке от Бернарда Берка, радиоастронома из MIT, который видел черновик статьи Джима Пиблса, талантливого молодого коллеги Дикке по Принстону. В своей статье Пиблс развивал сделанное десятилетие назад предположение Альфера и Германа о том, что если водород и гелий образовались миллиарды лет назад, то остаточное тепло должно проявляться в виде фонового микроволнового излучения. Пензиас рассказал Дикке о загадочном микроволновом шуме, обнаруженном им с Уилсоном. Мимоходом он заметил, что этот шум не мог исходить из галактики Млечный Путь. Дикке сразу понял, что это значит. Упустив шанс стать первооткрывателями космического микроволнового фона (реликтового излучения), команда Дикке по крайней мере могла дать свое объяснение. Исследователи считали, что для возникновения такого фонового излучения от Вселенной требовалось наличие высокой температуры и трех ингредиентов — протонов, электронов и фотонов. В таком состоянии вся Вселенная, по сути, представляла собой раскаленную плазму. Плазму иногда называют "четвертым состоянием материи" в дополнение к более знакомым газообразному, жидкому и твердому состояниям. Плазму можно описать как горячий газ, состоящий из заряженных частиц, таких как электроны и протоны. В статье Дикке, опубликованной в том же номере астрофизического журнала, что и статья Пензиаса и Уилсона, содержалось множество ссылок на статьи Хойла, Бонди и Голда 1948 года, посвященные модели стационарного состояния Вселенной. На самом деле в своей статье Дикке не определил причину такой высокотемпературной фазы и даже не упоминал фразы "Большой взрыв". В пресс-релизе Bell Labs от 23 мая 1965 года было сказано только, что сделанное открытие подтверждает "расширение Вселенной от высокотемпературного коллапсированного состояния". Два месяца спустя Дикке и его коллеги опубликовали еще одну статью, в которой утверждали, что материя в нашей Вселенной могла образоваться в результате "предыдущего расширения замкнутой Вселенной, колеблющейся все время". В конце каждого цикла Вселенная гибнет в огненном смерче, который стирает все следы предыдущей Вселенной. Такая цикличность, по словам Дикке и его соавторов, "освобождает нас от необходимости обсуждать происхождение материи в какой-либо конечный момент времени в прошлом… пепел от предыдущего цикла перерабатывается обратно в водород, необходимый для формирования звезд в следующем цикле". Циклична Вселенная или нет, было ясно одно: с моделью стационарного состояния покончено.