В 1940-е годы интересы Гамова от теории относительности переместились в сторону космологии, которую он рассматривал как неизведанную ранее сферу деятельности. Что было известно в то время? То, что небо черное, а Вселенная расширяется. Гамов руководствовался единственной целью: найти любые свидетельства, или «окаменелости», доказывающие, что миллиарды лет тому назад произошел Большой Взрыв. Это было бесперспективно, поскольку космология не экспериментальная наука в истинном смысле этого слова. Не существует таких экспериментов, которые бы доказали Большой Взрыв. Космология больше похожа на криминальную дедукцию — науку, основанную на наблюдениях, где нужно искать «следы» или «свидетельства» на месте преступления, — чем на науку, где можно ставить точные эксперименты.
Ядерная кухня ВселеннойОчерёдным вкладом Гамова в физическую науку стало открытие ядерных реакций, в результате которых образуются легчайшие элементы, существующие ныне во Вселенной. Ему нравилось называть это «доисторической кухней Вселенной», в которой все элементы изначально возникли из жаркого пламени Большого Взрыва. Сегодня этот процесс носит название «нуклеосинтез», или установление относительного содержания элементов во Вселенной. Суть теории Гамова в том, что существует нерушимая цепочка элементов, начинающаяся с водорода, которая может быть построена путем последовательного добавления частиц к атому водорода. Гамов утверждал, что вся периодическая таблица элементов Менделеева могла быть создана в пекле Большого Взрыва.
Гамов и его последователи доказывали, что в момент творения Вселенная представляла собой невообразимо горячее скопление протонов и нейтронов; затем, видимо, произошло слияние — атомы водорода образовали атомы гелия. Подобное происходит в водородной бомбе или звезде: температуры настолько велики, что протоны — ядра водорода — с огромной скоростью сталкиваются друг с другом и сливаются, превращаясь в ядро гелия. По этому сценарию последующие столкновения водорода с гелием рождают набор следующих элементов, включая литий и бериллий. Гамов предположил, что элементы более высокого порядка могут быть образованы последовательно путем добавления все большего количества субатомных частиц к ядру, — иначе говоря, он предположил, что сотня или более того элементов, составляющих всю видимую Вселенную, были «испечены» в огненном жару Большого Взрыва.
В свойственной ему манере Гамов в общих чертах нарисовал свою претенциозную идею и предоставил своему аспиранту Ральфу Альферу доработать детали. Когда работа была закончена, Гамов не смог удержаться от розыгрыша. Он поставил имя физика Ганса Бете на титуле своей работы без его ведома, и она стала известна как «альфа-бета-гамма» теория.
Гамов обнаружил, что Большой Взрыв был действительно настолько мощным, что его жара хватило для образования гелия, который составляет около 25 % массы Вселенной. Работая в другом направлении, «доказательство» теории Большого Взрыва можно обнаружить лишь при взгляде на многочисленные звезды и галактики нашего времени — мы понимаем, что они состоят примерно на 75 % из водорода, а на 25 % — из гелия и некоторых других микроэлементов. (Как сказал астрофизик Дэвид Спергель из Принстона: «Каждый раз, покупая воздушный шарик, наполненный гелием, вы покупаете атомы, многие из которых образовались в первые несколько минут после Большого Взрыва».)
Однако у Гамова появились проблемы с расчетами. Его теория была абсолютно верна лишь для очень легких элементов. Но элементы с 5 и 8 нейтронами и протонами чрезвычайно неустойчивы, а потому не могут служить «мостом» для создания элементов с большим количеством нейтронов и протонов. Мост смыло на пяти и восьми частицах. Поскольку Вселенная состоит из тяжелых элементов с гораздо большим количеством частиц, чем 5 и 8 протонов и нейтронов, то как же они образовались при взрыве, осталось космической тайной. Неудача Гамова в попытках преодолеть разрыв на пяти и восьми частицах на долгие годы поставила перед физиками нерешенную проблему, отрезая путь его идее о том, что все элементы Вселенной возникли в момент Большого Взрыва.
Микроволновое реликтовое излучениеВ то же время Гамовым овладела другая идея: если Большой Взрыв был так невообразимо горяч, то, возможно, часть его остаточного «жара» все еще циркулирует во Вселенной. Если так, то этот жар предоставил бы «ископаемую запись» о Большом Взрыве. Возможно, интенсивность Большого Взрыва была настолько невообразимой, что Вселенная до сих пор наполнена однородной туманностью его излучения.
В 1946 году Гамов предположил, что Большой Взрыв — это взрыв сверхгорячего ядра нейтронов. То было вполне разумное предположение, поскольку о других субатомных частицах (помимо электрона, протона и нейтрона) известно было очень мало. Гамов понял, что если бы он смог оценить температуру нейтронного шара, то смог бы подсчитать количество и природу излучения, которое тот испускал. Через два года Гамов доказал, что излучение этого сверхгорячего ядра действовало бы как «излучение абсолютно черного тела». Это совершенно особый вид излучения, отдаваемого горячим объектом: свет, падающий на него, объект поглощает полностью, испуская излучение особым образом. Например, Солнце, расплавленная лава, горячие угли в огне и горячая глина в печи светятся желто-красным и испускают излучение «абсолютно черного тела». (Излучение абсолютно черного тела было впервые открыто известным фабрикантом фарфора Томасом Веджвудом в 1792 году. Он заметил, что при обжиге в печи свежеизготовленных изделий они меняют свой цвет от красного к желтому, затем к белому по мере того, как повышается температура.)
Это важный момент, поскольку, зная цвет горячего объекта, примерно знаешь его температуру, и наоборот. Точная формула, связывающая температуру горячего объекта и испускаемого им излучения, была впервые получена Максом Планком в 1900 году, что привело к рождению квантовой теории. (Это, по сути, одна из теорий, при помощи которой ученые определяют температуру Солнца. Солнце излучает в основном желтый цвет, что соответствует температуре абсолютно черного тела в 6000°К. Таким образом, нам известна температура внешних слоев атмосферы Солнца. Подобным образом рассчитывалась температура поверхности красной звезды-гиганта Бетельгейзе — 3000°К, — температура абсолютно черного тела, соответствующая красному излучению: такую температуру имеет раскаленный кусок угля.)
В своей работе 1948 года Гамов впервые предположил, что излучение Большого Взрыва может иметь характерную особенность — это излучение абсолютно черного тела. Важнейшей характерной особенностью излучения абсолютно черного тела является его температура. Теперь Гамову необходимо было вычислить температуру излучения абсолютно черного тела.
Аспирант Гамова Ральф Альфер и другой ученик, Роберт Херман, попытались завершить расчеты Гамова, вычислив точную температуру излучения. Гамов написал: «Экстраполируя от первых дней Вселенной до настоящего времени, мы обнаружили, что за прошедшие эпохи Вселенная должна была охладиться до температуры 5 градусов выше абсолютного нуля».
В 1948 году Альфер и Херман опубликовали работу, где были представлены аргументы в пользу того, что температура излучения, сохранившегося после Большого Взрыва, сегодня должна составлять 5 градусов выше абсолютного нуля (их оценка была поразительно близка к той цифре, которая известна нам сейчас — 2,7 градуса Кельвина). Они постулировали, что излучение, которое они определили как излучение микроволнового диапазона, должно до сих пор циркулировать по Вселенной, наполняя космос однородным «послесвечением».
(Аргументация следующая. В течение многих лет после Большого Взрыва температура Вселенной была настолько высока, что всякий раз, когда образовывался атом, его снова разрывало на части; поэтому образовалось множество свободных электронов, которые и могут рассеивать свет. Таким образом, Вселенная была темной, не прозрачной. Любой луч света, двигающийся в этой сверхгорячей Вселенной, поглощался, пройдя короткое расстояние, поэтому Вселенная выглядела облачной. Однако через 380 ООО лет температура упала до 3000 градусов. При более низкой температуре атомы уже, сталкиваясь, больше не разрывались. В результате стало возможным формирование устойчивых атомов, а лучи света смогли перемещаться в течение световых лет, не будучи поглощенными. Таким образом, впервые пустое пространство стало прозрачным. Излучение же, которое больше не поглощалось сразу же, как только возникло, продолжает циркулировать во Вселенной и в наши дни.)
Когда Альфер и Херман показали Гамову свои окончательные расчеты температуры Вселенной, их учитель был разочарован. Температуру настолько низкую измерить было чрезвычайно трудно. Гамову понадобился целый год, чтобы в конце концов согласиться с тем, что их расчеты верны. Но он отчаялся когда-либо измерить столь слабое поле излучения. Приборами 1940-х годов безнадежно было измерять слабое эхо Большого Взрыва. (В более поздних вычислениях, отталкиваясь от неверного предположения, Гамов поднял температуру излучения до 50 градусов.)
