Buvau ten, kai gimė Didysis Sprogimas

Prieš 50 metų, 1964 m. gegužės 20 dieną, Arno Penzias ir Robertas Wilsonas iš Bell Telephone Laboratories Holmdele, Naujajame Džersyje, užfiksavo savo pirmuosius mikrobangų spinduliavimo iš supernovos Cassiopeia A liekanų astronominius matavimus. Jie naudojo rago formos anteną, pirmą kartą surinktą 1959 m. mikrobangų komunikacijos tyrimams – pirmiesiems šiandieninių mobiliųjų telefonų technologijos vystymo žingsniams.

Antena buvo kruopščiai sukurta taip, kad nepriimtų nuo žemės sklindančio spinduliavimo. Bet kai visi žinomi šaltiniai danguje buvo atmesti, Penziasui ir Wilsonui kilo problema, kamavusi ir Bell inžinierius. Mikrobangų ruože dangus atrodė maždaug 2 laipsniais šiltesnis, nei kas nors tikėjosi.

Tuo metu buvau jaunas teoretikas Princetono universiteto fizikos skyriuje, Bobo Dicke'o tyrimų grupėje. Bobas buvo fanas idėjos, kad visata prasidėjo nuo karštos, tankios būsenos – didžiojo sprogimo. Jis tyrė prielaidą, kad didysis sprogimas turėjo palikti po savęs jūrą spinduliavimo, tolygiai išplitusio danguje. Bobas paskyrė dviems grupės nariams, Peteriui Rollui ir Davidui Wilkinsonui, šią radiaciją galinčio užfiksuoti imtuvo kūrimą, o man pasiūlė apžvelgti jo aptikimo arba neaptikimo teorines pasekmes.

Vasarį pristačiau paieškos idėją kolokviume. Po kelių savaičių Bobui paskambino Penziasas. Po to vykęs Bobo, Peterio ir Davido vizitas į Holmdelą mus įtikino, kad mus aplenkė. Visatos pradžia buvo atrasta kaip nenumatyta komunikacijos inžinerijos projekto pasekmė.

Žvelgiant iš pusės amžiaus perspektyvos, lengva pamiršti, kad tada daugelis fizikų bet kokius visatos pradžios tyrimus atmesdavo, kaip tuščias spekuliacijas. Penziasui ir Wilkinsonui taip ramybės nedavęs triukšmas yra Kosminis mikrobangų fonas (KMF), dabar esantis esminiu Didžiojo sprogimo įrodymu. Bet užmetę akį į to meto New Scientist puslapius, matome, kad toks požiūris įsigalėjo neiškart. 1976 m. Martinas Reesas, tada neseniai išrinktas Plumian astronomijos profesoriumi Kembridžo universitete, rašo, kad „jokia tikėtina teorija“ negali paaiškinti stebėtų KMF charakteristikų(1976 gruodžio 2 d., p 512). Tačiau po penkerių metų, Reeso pirmtakas Plumian pozicijoje Fredas Hoyle'as tebemato galimybę konkuruojančiai statinės būsenos teorijai ir rašo, kad naujausi KMF matavimai „taip skiriasi nuo teorinių prielaidų, kad to gali užtekti palaidoti didžiojo sprogimo kosmologiją“ (1981 lapkričio 19 d., p 521).

Spinduliavimo sprendimas

Didžiojo sprogimo ir statinės būsenos teorijos kilo iš to paties trečiajame XX a. dešimtmetyje padaryto atradimo, kad tolimos galaktikos juda nuo mūsų, lyg visata plėstųsi. Per vėlesnius dešimtmečius išvystyta Didžiojo sprogimo teorija postuluoja, kad viskas, kas yra dabar, buvo ir anksčiau, taigi, visata plečiasi iš ankstesnio, tankesnio būvio. Statinio būvio teorija, kurią Hoyle'as su kitais išvystė 1948 m., taria, kad besiplečiančioje visatoje materija nuolat sukuriama ir tuščią vietą tarp tolstančių galaktikų užpildo atsirandančios naujos. Pagal šią teoriją, visatos praeitis nebuvo karštesnė ar tankesnė už dabartį.

KMF suteikia kai kurias iš ankstyviausių užuominų, kaip turėjo atrodyti karšta, ankstyva visata. Ketvirtojo dešimtmečio pabaigoje, tarp bandymų paaiškinti santykinę cheminių elementų gausą – pavyzdžiui, kodėl geležies yra tiek daug, palyginus su auksu? – buvo ir idėja, kad ankstyvosios visatos karštis sukeldavo stiprius susidūrimus, pertvarkydavusius neutronus ir protonus atomų branduoliuose. Šiose analizėse buvo laikoma, kad supanti radiacija buvo pakankamai karšta, kad vyktų atitinkamos reakcijos. Ši energijos jūra, visatai plečiantis, pamažu vėso.

George'as Gamowas ir jo studentas Ralphas Alpheris savo 1948 m. pristatytame žymiajame didžiojo sprogimo elementų gausą šios terminės radiacijos nemini – darbe, pagarsėjusiame savo turiniu ir Gamowo nepatvirtinto fiziko Hanso Bethe įtraukimu į autorių sąrašą, kad šis primintų pirmąsias graikų abėcėlės raides, alfa, beta, gama. Be to, pasirodė, kad jų analizė neatitiko iš II pasaulinio karo ginklų tyrimų žinomų branduolinių reakcijų greičių. Po kelių mėnesių Gamowas perdarė analizę, pašalindamas konfliktus, pridėdamas terminės radiacijos jūrą. Jis suprato, kad radiacija dar turėtų būti ir dabar, bet apie jos temperatūrą nutylėjo. Alpheris su Robertu Hermanu pateikė maždaug 5 K vertę.

Gamowo analizė sukėlė Hoyle'o nepasitenkinimą, tiek dėl statinio būvio kosmologijos ignoravimo, tiek todėl, kad helio kiekis siekė 30 procentų kosminės masės, daug daugiau, nei rodė to meto stebėjimai. Kai septintojo dešimtmečio pradžioje tobulesni stebėjimai parodė, kad šis skaičius išties artimas teisybei, Hoyle'as vienas iš pirmųjų pastebėjo, kad tai sutampa su didžiojo sprogimo kosmologija – bet atsargumo dėlei pamini, kad tai galėjo kilti ir iš supermasyvių žvaigždžių sprogimų, mažų didžiųjų sprogimų statinio būvio visatoje.

Tai maždaug rodo, kur buvome 1964-aisiais. Bobą užvaldė mintis, kad besiplečianti didžiojo sprogimo visata galėjo atšokti, kai po ankstesniojo plėtimosi ciklo susitraukė. Per tokį kolapsą žvaigždžių šviesa būtų suspausta kartu su materija, ir pasiektų tokias temperatūras ir tankius, kad sudraskytų sunkių elementų branduolius, pagamintus žvaigždėse ankstesnio ciklo metu, ir taip suteiktų naują branduolinį kurą mūsų ciklui. Dėl šio proceso spinduliavimas pasiektų termodinaminę pusiausvyrą, ir visur būtų vienoda temperatūra, sukurianti charakteringą skirtingų bangos ilgių intensyvumų spektrą, vadinamąjį terminį Plancko spektrą – tikrą ženklą, kad mūsų visata pradžioje buvo karšta ir tanki.

Bobas žinojo ir apie mikrobangas. Per II pasaulinį karą, stengdamasis sukurti geresnės raiškos trumpesnių bangų radarą, jis išrado mikrobangų detektorių, kuris buvo panaudotas atmosferos vandens sugeriamų ir spinduliuojamų bangų tyrimams. Laisvalaikiu 1946 metais jis parašė darbą apie kosminių mikrobangų viršutines ribas. Experimentai buvo atliekami Floridoje, kurios ūkanotos naktys suteikdavo užtektinai atmosferos vandens, kad detektoriai būtų užpilti mikrobangomis. Jey darbai būtų vykę šaltą, sausą naktį Princetone, galbūt Bobas pirmasis būtų aptikęs KMF.

Bet žmonės gali būti užmaršūs ir 1964 turėjome jam priminti, kad jis netgi nustatė ribą. Taip pat sakė mums, kad blankiai prisimena klausęs Gamowo paskaitą, tačiau ne jos temą. Bet gal Gamowo minčių aidai, kartu su bandymais Floridoje, 1964 valdė Bobo mąstymą. 1981 m. New Scientist straipsnyje, Hoyle'as prisimena 1961 m. pokalbį su Bobu apie tarpžvaigždinio cianido [anglies (C) ir azoto (N) junginys – CN] elgesį – molekulė sukosi taip, lyg ją veiktų maždaug 2,3 K mikrobangos. Bobas tos diskusijos tikrai neprisiminė, nes jam būtų visai nebūdinga to nepasakyti mums, bet šis KMF egzistavimo požymis galėjo tūnoti jo galvoje.

Manau, „tūnojimas galvoje“ yra toks pats geras tvarkingo tyrinėjimo sutrikdymo stulbinančiomis ir jaudinančiomis idėjomis būdas, kaip ir bet kuris kitas. Tie netikėti, netgi nepageidaujami matavimai – erzinantis šnypštimas puikioje telekomunikacijų antenoje – kartais pasirodo esantys labai informatyvūs mokslo pažangos būdai.

Įrodyta be abejonių

Nepamenu, kad Bobas ar kuris iš mūsų būtų apgailestavę, kad mus aplenkė. Visi džiaugėsi, kad atsirado ką matuoti ir analizuoti. Iš pradžių aiškinomės, ar KMF spinduliavimas tikrai turi Plancko spektrą. Aštuntajame dešimtmetyje buvo gana plačiai diskutuojama, kurias Reeso ir Hoyle'o straipsniuose pateiktas skirtingas interpretacijas remia duomenys.

Rollo ir Wilkinsono eksperimentas greitai pridėjo dar vieną porciją duomenų, o Wilkinsonas jų pridėjo dar daug daugiau, vadovaudamas COBE palydovo misijai, dešimtojo dešimtmečio pradžioje parodžiusiai, kad KMF spektras yra artimas Plancko spektro formai maždaug 2,73 K temperatūroje. (Herbas Gushas iš Britų Kolumbijos universiteto Kanadoje, kurio raketinis eksperimentas patvirtino tai mėnesiu vėliau, galėjo pirmasis pateikti duomenis, jei nebūtų atidėliojamas raketos paleidimas.)

Tada visatos kilme iš Didžiojo sprogimo abejojo nedaug kas, išskyrus Hoyle'ą ir artimus jo bendrininkus. Penziasas ir Wilsonas pasidalino Nobelio premiją 1978 ir tai sąžininga: jie susekė visus įmanomus žemiškuosius papildomos mikrobangų radiacijos šaltinius, ir skundėsi negalintys surasti anomalijos, kol kažkas galiausiai atkreipė dėmesį. Bet Bobas irgi turėjo būti įtrauktas, tiek dėl didžiosios dalies technologijos, panaudotos KMF atradimui, sukūrimo, tiek dėl paieškos pasiūlymo, dėl kurio Bell tyrėjai suvokė jau jį atradę.

Tuo tarpu mano paties teorinis mąstymas prasidėjo Gamowo pramintu taku, bet vis rasdavau, ką dar nuveikti. KMF galėjo sutrikdyti mūsų visatoje gana netolygiai išsidėsčiusios materijos gravitacija, o taip pat sąveika su karštos ir jaunos visatos materija, kol ši dar buvo plazma. Tikslesni Wilkinsono ir augančio kolegų būrio atliekami matavimai, kiek KMF yra netolygi, paskatino mane sukurti dabar pripažintą ΛCDM kosmologinį modelį.

Tuo metu maniau, kad rašau teoriją, kurioje mikrobangų fono sutrikdymai pernelyg maži, kad juos būtų galima aptikti. Tačiau dėl COBE ir vėlesnių misijų – NASA WMAP, Europos kosmoso agentūros Plancko zondo, ir daugybės kitų – dabar tiksliai žinome, kaip KMF skiriasi nuo idealiai tolygaus spinduliavimo, informuojančio apie visatos plėtimąsi ir jos medžiagos kilmę. Apie tai parašiau tris, viena už kitą didesnes, knygas. Dabar ši sritis pernelyg išaugo, kad būtų galima parašyti monografiją; ji turtingesnė, nei kada įsivaizdavau, prieš pusę amžiaus paklausęs Bobo pasiūlymo.

Su ΛCDM, kosmologinė teorija ir matavimų duomenys sutampa puikiai, nors jai reikia dviejų hipotetinių komponentų: dar nematytos šaltos tamsiosios materijos – CDM – galaktikų išlaikymui drauge, ir kosmologinės konstantos, lambda (Λ). Šią konstantą reliatyvumo lygtyse pristatė Einšteinas, siekdamas sukurti statišką visatą, ir vėliau apgailestavęs dėl jos neelegantiškumo ir bereikalingo sudėtingumo. Dabar jos reikia, norit paaiškinti greitėjantį visatos plėtimąsi, atrastą tolimųjų supernovų matavimais, ir KMF pasiskirstymo detales. Naujasis jos pavadinimas, „tamsioji energija“, nėra progreso ženklas: vis dar nesuprantame jos prigimties.

Turint galvoje šiuos du hipotetinius įsibrovėlius, atsarga nepamaišys. ΛCDM kosmologinio modelio atitikimas priklauso ir nuo optimistinės bendrojo reliatyvumo ekstrapoliacijos iš Saulės sistemos į daug didesnį regimosios visatos mastelį. Bet KMF ir kiti bandymai yra pakankamai gausūs, tad esu priverstas daryti išvadą, jog turime įtikinamą aproksimaciją to, kaip visata plėtėsi ir vėso.

Elegantiška teorija

Hoyle'o statiškos visatos kosmologija gana įtikimai atmesta, nors jos filosofija vis pasirodo, kaip multivisatų – idėjos, kad visatos, tokios, kaip mūsiškė, nuolat randasi iš didesnės visatos – koncepcija. Amžinos infliacijos teorija, iš kurios kyla ši idėja, postuluoja, kad mūsų visatoje buvo itin greito plėtimosi periodas, ir suteikia elegantišką būdą suprasti, kas vyko , kol besiplečianti visata atvėso tiek, kad ją gali aprašyti Einšteino bendrasis reliatyvumas.

KMF temperatūros nuokrypiai nuo tolygumo skirtingais masteliais atitinka tai, ko būtų galima tikėtis iš infliacijos paprastos matematinės formulės, nors atitikimas nėra vienareikšmis. Nesenas KMF poliarizacijos struktūros atradimas BICEP2 eksperimente Antarktidoje buvo interpretuotas, kaip pirmasis tiesioginis infliacijos įrodymas, nors daugelis dar nėra tikri, kad poliarizacijos poveikio nesukėlė dulkės ir Paukščių Tako magnetiniame lauke skriejantys elektronai (balandžio 26 d., p 32).

Kaip bepasisuktų teorija, per šimtmetį kosmologija subrendo neatpažįstamai. 1914 m., Einšteinas darė baigiamuosius bendrosios reliatyvumo teorijos potėpius, teorijos, kuria visa kosmologija ir remiasi. Dabar, dar detalesni KMF tyrimai galbūt neša mus netgi už bendrojo reliatyvumo. Bet pagrindinė stotelė buvo pasiekta lygiai prieš 50 metų: identifikavimas netikėto šnypštimo, pasakojančio visatos kilmės istoriją.

Jim Peebles yra profesorius emeritas Princetono universitete

Jim Peebles
New Scientist № 2969