"Нобелевские лауреаты по физике этого года нарисовали картину вселенной, гораздо более странную и удивительную, чем мы могли себе представить. Две области исследований, космология и экзопланеты, действительно, в некотором роде говорят нам что-то очень существенное - экзистенциальное - о нашем месте во вселенной. Наш взгляд на нас самих уже никогда не будет прежним."
Ульф Даниэльссон, физик-теоретик, член Нобелевского комитета.
В этом году Нобелевская премия по физике за «новаторские открытия об эволюции Вселенной и месте Земли в ней» была вручена троим учёным. Канадский астрофизик Джим Пиблс, почетный профессор Принстонского университета был удостоен первой половины премии за свои теоретические открытия об эволюции Вселенной. А швейцарские астрономы Мишель Майор и Дидье Кело разделили вторую половину премии за открытие первой планеты у солнцеподобной звезды. Нобелевский комитет в этом году не изменил себе – путь награды к учёным занял многие годы. Самые знаменитые работы Пиблса были опубликованы в 60–80-х годах прошлого столетия. Мишель Майор и Дидье Кело ждали премии 24 года, с тех самых пор, как впервые обнаружили планету у звезды 51 Пегаса в 1995 году.
Статьи про экзопланеты появляются здесь часто (и, скорее всего, ещё не раз появятся из-за личной любви автора к этой теме), поэтому нынешний рассказ будет о Джиме Пиблсе и его достижениях.
Космология, в которой работает Пиблс, это наука, изучающая Вселенную как один объект, её крупномасштабную структуру (на уровне скоплений галактик) и её эволюцию. Можно сказать, что это древнейшая область знаний. Истории о том, как устроена Вселенная у всех народов уходят корнями вглубь веков, однако, наукой космология стала относительно недавно. Даже в 1960-х годах, когда Пиблс начал изучать Вселенную, было мало наблюдений, чтобы доказать или опровергнуть чьи-либо предположения. Космологические расстояния часто были лишь грубыми предположениями, а оценки возраста Вселенной сильно различались.
Джим Пиблс — ученик выдающегося астрофизика Роберта Дикке. В историю науки Пиблс вошёл в 1964 году, когда он и Дикке опубликовали работу с предсказанием реликтового излучения – существования микроволнового фона, пронизывающего всю Вселенную, являющегося эхом Большого взрыва. В современную эпоху его температура составляет около 2.7 градусов Кельвина. История открытия реликтового излучения — это, по-моему, замечательный пример того, как в реальности совершаются научные открытия.
Карта реликтового излучения, космический телескоп По данным спутника WMAP
История начинается с Георгия Гамова, который в 1934 году эмигрировал (точнее будет сказать, не вернулся в СССР из командировки) в США. Там, занимаясь первыми мгновениями жизни Вселенной, он предлагает теорию «горячей Вселенной» — теорию о том, что расширение Вселенной началось с «горячего» состояния, в котором вещество представляло собой смесь высокоэнергетичных элементарных частиц, находящихся в почти идеальном термодинамическом равновесии. В дальнейшем, остыв до 3000 Kельвинов, первичная плазма превратилась в нейтральные атомы и реликтовое фоновое излучение. В рамках этой теории была предпринята попытка объяснить происхождение химических элементов. В 1946 году уже Джордж, а не Георгий Гамов публикует работу, в которой хоть и не совсем верно, но впервые описывает нуклеосинтез (то есть синтез атомов) в ранней Вселенной. В качестве темы для докторской диссертации Гамов предлагает своему ученику Рольфу Альферу развитие этой теории, включающее детальный расчёт некоторых ядерных реакций. В своей диссертации Альфер на основании работы Гамова 1946 года отмечает, что частицы юной Вселенной должны быть погружены в море фотонов. В 1948 году Альфер и другой ученик Гамова Роберт Херман предсказывают, что к современному моменту температура микроволнового излучения (эхо тех первых фотонов), оставшегося со времён Большого взрыва, должна составлять примерно 5K. После теория первичного нуклеосинтеза многократно шлифовалась, и уже в 1950 году в восьмом номере Physics Today Гамов предсказывает температуру излучения в 3 кельвина, что всего на 0.3 градуса больше впоследствии обнаруженного экспериментально. Работы Гамова, Альфера и Хермана хоть и широко обсуждались, но, между тем, основное астрофизическое сообщество в то время не было заинтриговано космологией и поэтому они быстро забылись.
Прошло почти 10 лет. На двух полюсах мира, в СССР Яков Зельдович со своими учениками Дорошкевичем и Новиковым, и в США, независимо от них, Роберт Дике и Джим Пиблс заново предсказывают существование фонового излучения Вселенной. Так случилось, что Роберт Дикке был человеком, который создал первый в мире радиометр. На основе этого радиометра в 1964 году Дикке и Пиблс начали конструирование устройства для регистрации предсказанного ими микроволнового излучения (кстати, оценив его температуру в 10 K). А в это же самое время, всего в нескольких милях от них в Кроуфорд-Хилл, Арно Пензиас и Роберт Уильсон мучились над тем, как избавиться от шумов в своём радиотелескопе для спутниковой связи, использующий тот же радиометр Дикке. Одной из версий источника постоянного шума был даже птичий помёт. Как оказалось, шумит вся Вселенная. Дикке узнал об открытии из телефонного разговора с Пензиасом, после чего разочаровано произнёс фразу: «Мальчики, нас вычеркнули».
Радиотелескоп Пензиаса и Уилсона
Так, в 1965 году в Astrophysical journal вышла статья Дикке, Пиблса и соавторов с предсказанием и сопровождающая статья Пензиаса и Уильсона — с открытием микроволнового космического излучения. Два события срезанировали в пространстве и времени. В работе Дикке и Пиблса хоть и присутствуют ссылки на работы Альфера, Хермана и Гамова, но совершенно не упоминается тот факт, что именно они первые предсказали микроволновое космическое излучение. Потом всё встало на свои места, но не сразу и не без борьбы. Гамов после будет часто публично иронизировать над этим, но своей Нобелевской премии так и не получит. Пройдёт 13 лет, и Нобелевская премия 1978 года за открытие реликтового излучения достанется Пензиасу и Уильсону.
В дальнейшем Пиблс работал над проблемой анизотропии реликтового фона. Микроволновый фон кажется однородным во всех направлениях лишь до какого-то предела точности. Например, ещё советский физик Яков Зельдович, независимо работая над теорией реликтового излучения, понял, что ранняя Вселенная должна иметь неоднородности, запечатлевшиеся в реликтовом фоне. В своей работе того же богатого на события 1965 года Джим Пиблс рассчитал не только сколько материи было создано при Большом взрыве, но и какого размера были первоначальные флуктуации (неоднородности) плотности материи, и описал распределение этих флуктуаций, а также указал на их связь с размером первых галактик. Его теоретические выкладки полностью подтвердились. За экспериментальное обнаружение анизотропии Вселенной в проекте COBE Нобелевскую премию дали в 2006 году Джону Мазеру и Джорджу Смуту.
Также Пиблс стоит за принятой в настоящее время концепцией холодной тёмной материи, с помощью которой учёные смогли объяснить возникновение галактик, ведь если учитывать только обычное, барионное вещество, то времени жизни Вселенной оказывается недостаточно, чтобы «скомковать» материю в крупные образования. Здесь надо отметить, что тёмную материю ещё не обнаружили, это до сих пор гипотеза, однако же хоть каких-нибудь адекватных альтернатив у нас нет. Видимо, первый, кто обнаружит тёмную материю, моментально получит свою Нобелевскую премию.
В пояснительном документе 2019 года Нобелевский комитет отмечает, что хоть Пиблс не был первым, кто предсказал реликтовое излучение, но в своих работах он с соавторами пошел дальше всех остальных и глубоко обсудил следствия теории большого взрыва. В совместной работе Пиблс и Зельдович первым же предложением пишут: «Критическим фактором в формировании галактик во Вселенной может быть наличие лучистой материи, подчиняющейся законам излучения абсолютно чёрного тела ». Эта статья стала «отправной точкой физической космологии, где законы физики применяются ко всей Вселенной».
Многие современные астрофизики с одной стороны признают роль Пиблса в становлении космологии, с другой — замечают, что, возможно, эта награда была не самым справедливым решением. Слишком много достойных людей с равным успехом могли занять место Пиблса в Стокгольме (к сожалению, многих из них уже нет в живых). Академик Валерий Рубаков отметил по этому поводу: «Нобелевскую премию редко дают по совокупности работ, но, мне кажется, это как раз такой случай». Гамов, более всех достойный награды, умер в 1968 году, Зельдович, который внёс огромный вклад в теорию реликтового излучения и занимался крупномасштабной структурой Вселенной, умер в 1987 году, Дикке до своей Нобелевки тоже не дожил – его не стало в 1997 году. Как однажды сказал Гинзбург: «чтобы получить Нобелевскую премию, надо долго жить».
Сейчас Джиму Пиблсу 84 года. Несмотря на то, что он до сих пор активный учёный, видимо, Нобелевский комитет решил, что тянуть уже опасно — не вышла бы та же история, что и с Дикке, Зельдовичем и Гамовым. А Пиблс даже не удивился телефонному звонку из Стокгольма, и в одном интервью высказался в духе «я занимаюсь космологией 55 лет, я самый старый в этой области, давно пора!».
Автор: Андрей Мурачёв, научный сотрудник Высшей школы теоретической механики
Иллюстрация: Светлана Краева
