электромагнитного поля — фотонов. Фотоны ведут себя как частицы, лишенные массы и движущиеся со скоростью света. Согласно расчетам, по законам термодинамики фотонов должно быть гораздо больше, чем частиц вещества (теория указывает, что их должно быть примерно в миллиард раз больше, чем ядер атомов водорода — протонов). Гамов считал, что в раскаленном начальном плотном «супе» из ядер водорода и гелия должны были присутствовать многочисленные фотоны.
В дальнейшем оказалось, что эти фотоны как раз и мешали образованию тяжелых ядер. В реакциях синтеза на начальном этапе возникали только ядра атомов гелия, ядра дейтерия (в небольшом количестве), а также лития и бора.
Средняя энергия фотонов должна быть примерно равна средней энергии движения частиц вещества (протонов и ядер атомов гелия). Это значит, что полная энергия фотонов (электромагнитного излучения) в тот же миллиард раз превышала полную энергию частиц вещества! В начальной горячей Вселенной излучение доминировало над веществом.
Но что происходило дальше? Плотность вещества и полей уменьшалась (Вселенная расширялась). Наконец плотность материи стала недостаточной для продолжения реакций ядерного синтеза. Согласно законам физики, должна была падать температура не только вещества, но и электромагнитного излучения. Но температура излучения связана с длиной его волны: это означает, что длина волны излучения должна была постоянно увеличиваться по мере падения температуры. Если при гигантских начальных температурах порядка миллиарда градусов длина волны должна соответствовать параметрам гамма-излучения, то со временем температура (а значит, и энергия) излучения должна уменьшаться, как и длина его волны.
Гамов, Альфер и их коллега Роберт Герман[41] сделали оценку, какова должна быть типичная длина волны этого излучения сегодня, спустя более чем десять миллиардов лет после Большого взрыва. Они получили очень низкую температуру — в пределах от нуля до десяти градусов по шкале Кельвина.
Согласно рассуждениям Гамова и его команды, это излучение, сохранившееся со времен горячей Вселенной, никуда не должно было деться[42]. Оно и сегодня должно заполнять всю Вселенную, равномерно распространяясь во все стороны. Но поскольку длина волны этого излучения вместе с температурой существенно изменилась, зарегистрировать его можно уже не в гамма- и даже не в ультрафиолетовом и не видимом диапазоне. Излучение горячей (когда-то) Вселенной «ушло» в длинноволновый радиодиапазон.
Статья команды Гамова прямо указывала, что следовало искать в космосе. Проверить, верны ли соображения ученых, или это всего лишь умозрительные теоретические построения, не имеющие ничего общего с реальностью, можно было только в ходе эксперимента.
После Второй мировой войны быстро развивалась радиоастрономия — военные радары продемонстрировали, что какие-то источники радиоволн явно находятся в космосе (например, Солнце и Юпитер), и специальные антенны для приема космического радиоизлучения активно сооружались во всем цивилизованном мире. Можно было ожидать, что в список научных задач молодая радиоастрономия должна была включить поиск древнего излучения горячей (когда-то) Вселенной…
Удивительно, но на статью Альфера и Германа, вышедшую в 1948 году, внимания никто не обратил[43]. Так бывает в науке — дух времени запаздывал. Гениальная догадка Гамова немного опередила дух времени, зерно упало на почву, еще не готовую его принять[44]. Стоит также сказать, что в 1941 году об обнаружении излучения с такими свойствами написал в своей научной статье Эндрю Маккеллар, но он не понял, что это такое.
В середине пятидесятых годов рупорная антенна Пулковской обсерватории под Ленинградом (когда-то именно там, в Петрограде, как он тогда назывался, Фридман читал лекции Гамову) зарегистрировала излучение, идущее из космоса, соответствовавшее температуре около трех Кельвин. Антенна, на которой работали советские радиоастрономы, Семен Эммануилович Хайкин и Наум Львович Кайдановский, а также их аспирант Т.А. Шмаонов, зафиксировала древнее излучение юной горячей Вселенной! Этот результат Тигран Арамович Шмаонов изложил в своей кандидатской диссертации в 1957 году, а затем упомянул в статье, опубликованной в советском журнале «Приборы и техника эксперимента». Но сами наблюдатели не обратили на обнаружение излучения особого внимания и не осознали, что же они зарегистрировали.
РТ-22 — прецизионный радиотелескоп с 22-метровым параболическим зеркалом, один из старейших в России. Работает в Пущинской радиоастрономической обсерватории с 1959 года. В этой конструкции был впервые реализован новый принцип азимут-угломестной монтировки, позволяющий исключить асимметричные деформации крупногабаритного зеркала под воздействием силы тяжести. РТ-22 — серийный радиотелескоп, в СССР выпускались также серии РТ-32, РТ-70.
Прошло еще семь лет. Весной 1964 года советские астрономы Андрей Георгиевич Дорошкевич и Игорь Дмитриевич Новиков опубликовали работу, где было указано, каких наблюдательных проявлений следует ожидать от древнего излучения горячей Вселенной, и даже были указания, на каком инструменте лучше всего проводить наблюдения. И хотя статья советских исследователей была вскоре переведена на английский язык и опубликована, на нее обратили внимание уже после открытия…
В 1964 году в американской компании «Лаборатории Белл» велись эксперименты, которые должны были ответить на вопрос: можно ли организовать связь со спутниками в микроволновом диапазоне. Эксперименты предлагалось проводить со спутником «Эхо», который представлял собой надувной шар диаметром более 30 метров. Тонкая оболочка спутника была сделана из полиэтилена с металлизированным покрытием, и спутник должен был служить (и служил) пассивным отражателем радиосигналов.
Сотрудники «Белл» Арно Пензиас и Роберт Вилсон работали на шестиметровой рупорной антенне в штате Нью-Джерси (США), принимая слабый отраженный сигнал от «Эха». С некоторым удивлением они обнаружили, что из космоса на длине волны 7,35 сантиметра, соответствующей температуре 2,7 К, постоянно льется какое-то излучение. Таинственный радиошум не зависел ни от времени суток, ни от времени года, ни от направленности антенны. Он шел отовсюду! Инженеры поворачивали антенну, убеждаясь, что микроволновый фон поступал со всех сторон…
Сначала исследователи думали, что они столкнулись с какими-то помехами. Они грешили на проходившую поблизости железную дорогу. Они охладили приемник жидким гелием. Им пришлось ликвидировать гнездо голубей, которое появилось прямо в антенне, а также отчистить антенну от «белого диэлектрического вещества», как его назвал Пензиас, которое оставили на антенне не уважавшие науку голуби. Но радиошум от этого не исчез.
В это время примерно в пятидесяти километрах от этого места под руководством Роберта Дикке, Джима Пиблса, Дэйва Уилкинсона и Питера Ролла велось сооружение радиотелескопа физического факультета Принстонского университета для поиска излучения, предсказанного группой Гамова. К тому времени, когда аппаратура была практически готова для начала наблюдений, до принстонской команды дошла информация о странных проблемах, с которыми столкнулись Пензиас и Вильсон. Стало ясно, что открытие уже состоялось. Дикке и Уилкинсон объяснили Пензиасу и Вильсону, что же, собственно, они обнаружили. В майском выпуске «Астрофизического журнала» за 1965 год были опубликованы две статьи:
