Величайшее доказательство рождения Вселенной — реликтовое излучение — было обнаружено совершенно случайно в 1965 году американскими учёными. Позже они получили Нобелевскую премию за это открытие. Однако точные параметры этого космического «эха» математически предсказал ещё в 1948 году советский физик-эмигрант Георгий Гамов.

Горячая печь мироздания

В середине ХХ века учёным предстояло разгадать происхождение химических элементов, представленных в периодической таблице. До работ Гамова считалось, что атомы формируются исключительно внутри звёзд. Однако советский эмигрант пришёл к выводу, что ранняя Вселенная представляла собой горячую и плотную плазменную среду, где на первых этапах доминировало излучение, а не материя. Эту первичную субстанцию из сверхплотного газа нейтронов он назвал словом «илем».

Теория «Альфа-Бета-Гамма»

Для расчётов Гамов привлёк своего аспиранта Ральфа Альфера. Опираясь на новые данные о сечениях захвата нейтронов, молодой исследователь вычислил динамику образования атомных ядер в расширяющемся и остывающем пространстве. Итоговая работа под названием «Происхождение химических элементов» была опубликована 1 апреля 1948 года. Учитывая, что фамилии авторов совпадают с первыми буквами греческого алфавита, Гамов без ведома коллег добавил в соавторы физика-ядерщика Ганса Бете, хотя тот не участвовал в исследованиях. Так появилась теория «Альфа-Бета-Гамма».

Позже Гамов пытался убедить другого соавтора, Роберта Германа, сменить фамилию на Дельтер, чтобы продолжить алфавитный ряд. Защита диссертации Альфера собрала более 300 слушателей, включая журналистов. Газета The Washington Post напечатала статью с заголовком «Мир начался за пять минут».

Лёгкие элементы и физический барьер

Согласно расчётам, в первые минуты после Большого взрыва из протонов и нейтронов сформировались лёгкие элементы: водород, гелий, а также следы лития и бериллия. Соотношение водорода и гелия (около 75% на 25%) стало важным аргументом в пользу горячей модели Вселенной. Однако при дальнейшем моделировании возникла проблема «массовой щели»: в природе не существует стабильных ядер с массовым числом 5 и 8. После образования гелия-4 процесс синтеза прекращался, так как добавление протона или нейтрона приводило к распаду ядра.

РЕШЕНИЕ ОТ ФРЕДА ХОЙЛА

Ответ на вопрос о происхождении тяжёлых элементов дал британский астрофизик Фред Хойл. В 1949 году он в радиоэфире BBC впервые использовал термин «Большой взрыв». В 1957 году Хойл с коллегами опубликовал 104-страничную работу, в которой доказал, что элементы от углерода до железа и урана образуются в недрах звёзд через тройной альфа-процесс и вспышки сверхновых. Противники теории Большого взрыва не опровергли её, а дополнили, разделив синтез элементов на несколько этапов.

Замерзающий свет

Продолжая идею горячей ранней Вселенной, Ральф Альфер и Роберт Герман решили выяснить судьбу первичного излучения. Через 380 тысяч лет после Большого взрыва плазма остыла настолько, что фотоны смогли отделиться от вещества и начали свободно распространяться. Учёные пришли к выводу, что с расширением Вселенной длина волны этого света растянулась, сместившись в инфракрасный и микроволновый диапазон. Он стал невидимым даже для мощных оптических телескопов.

В статьях для журналов Nature (1948) и Physical Review (1949) Альфер и Герман предсказали, что остаточный фон заполняет всё пространство и сегодня имеет температуру около 5 Кельвинов.

Забытые расчёты

В конце 1940-х годов научное сообщество проигнорировало эти расчёты. Специалисты по радиоастрономии полагали, что аппаратура того времени не способна зафиксировать такой слабый сигнал на фоне галактических шумов. Кроме того, многие астрономы считали космологию философской дисциплиной, не подлежащей проверке, и придерживались Стационарной модели Хойла, Бонди и Томаса Голда, в которой Вселенная вечна и расширяется за счёт постоянного рождения материи из вакуума.

Случайный триумф

К началу 1960-х годов работы Гамова, Альфера и Германа были забыты. В Принстонском университете группа под руководством Роберта Дикке и Джеймса Пиблза независимо пришла к идее реликтового излучения, изучая модель осциллирующей Вселенной. Дикке поручил коллегам создать прибор для поиска микроволнового фона. Однако теоретиков опередили инженеры из лаборатории Bell Labs в Холмделе.

Радиоастрономы Арно Пензиас и Роберт Вильсон настраивали шестиметровую рупорную антенну для приёма спутниковых сигналов. На частоте 4080 МГц с длиной волны 7,3 см прибор фиксировал постоянный фоновый шум с температурой около 3,5 К. Сигнал был равномерным — он шёл со всех сторон неба, не менялся ни днём, ни ночью, ни с сезонами, что исключало влияние Солнца или Млечного Пути.

Инженеры проверили все возможные источники помех: городские шумы Нью-Йорка, собственное тепло приёмника, даже гнездо голубей внутри антенны. После очистки конструкции от «белого диэлектрического материала» шум остался. Пензиас сообщил о проблеме коллеге Бернарду Бёрку, тот передал информацию группе Дикке в Принстоне.

Победа над временем

После звонка Пензиаса Роберт Дикке положил трубку, повернулся к сотрудникам и сказал: «Парни, нас обошли». Летом 1965 года журнал Astrophysical Journal опубликовал две статьи подряд: первая — объяснение космологической природы найденного фона группой Дикке, вторая — результаты измерений Пензиаса и Вильсона на двух страницах.

В этих публикациях не было ссылок на работы Гамова, Альфера и Германа 1948 года.

Признание и восстановление справедливости

В 1978 году Пензиас и Вильсон получили Нобелевскую премию по физике. Приоритет группы Гамова долгое время оставался в тени. Это усугубилось выходом в 1977 году книги Стивена Вайнберга «Первые три минуты», где работы Альфера и Германа упоминались лишь мимоходом.

Восстановить историческую справедливость удалось благодаря усилиям историков науки. Окончательное подтверждение концепции произошло в 1990 году, когда космический телескоп COBE с помощью бортового спектрометра FIRAS показал, что реликтовое излучение имеет спектр абсолютно чёрного тела с температурой 2,725 ± 0,002 К.

Позже аппараты WMAP и Planck использовали этот фон для создания детальных карт ранней Вселенной.

Сам Георгий Гамов не дожил до вручения Нобелевской премии — он скончался в 1968 году. Его вклад в науку вышел далеко за рамки космологии и квантовой механики. Учёный стал пионером молекулярной биологии, впервые предложив концепцию генетического кода на основе триплетов нуклеотидов в ДНК. Его ученица Вера Рубин, защитившая диссертацию под его руководством, позже предоставила наблюдательные доказательства существования тёмной материи.

В 1990 году Академия наук СССР посмертно вернула Гамову звание академика, которое ему лишили в 1938 году после отказа вернуться из заграничной командировки.

Гамов продемонстрировал, что точный математический расчёт на логарифмической линейке может предсказать то, до чего эмпирические методы дойдут лишь спустя десятилетия.

По материалам: Sci.rambler.ru