В поисках начала времени

В 1972 году, вскоре после защиты докторской диссертации в университете Беркли, касающейся физики элементарных частиц, я собирался продолжить занятия по этой теме и начать работу над независимым проектом, который соответствовал моим научным интересам, возможностям и надеждам. Это был первый проект, который я собирался выполнить без своего учителя Луиса Альвареса. Я прочел книгу Пиблса Physical Cosmology[136] и решил попытаться пронаблюдать за микроволновым излучением от Большого взрыва. Я хотел увидеть, какой была Вселенная 14 миллиардов лет назад, и проверить достоверность космологического принципа.

Этот проект в конечном счете материализовался в карту ранней Вселенной, показывающую, какой была она в своем «детском возрасте» – 0, 00004 доли от возраста нынешнего. Для сравнения, когда вам 20 лет, то возраст 0, 00004 от него составляет ваши первые шесть недель.

Пензиас и Уилсон установили с точностью до 10 %, что микроволны были однородны. Они не нашли анизотропии, то есть отличий в интенсивности излучения при замерах в различных направлениях. Дополнительные эксперименты повысили предел точности до 1 %. При повышении точности до 0, 1 % анизотропия должна была обнаруживаться, хотя бы от движения Земли в космосе. Это примерно так же, как вода больше попадает вам на лицо, чем на затылок, если вы бежите под дождем. Точно так же и интенсивность микроволн должна быть больше во встречном по отношению к Земле направлении. А если достичь точности 0, 01 %, мы могли бы увидеть остатки раннего сгустка, из которого образовались группы галактик.

В своей книге Пиблс назвал движение Земли по отношению к отдаленным частям Вселенной «дрейф по новому эфиру». Это не было измерение относительно абсолютного пространства: Эйнштейн показал, что это невозможно. Но есть только одна система отсчета, в которой материя Вселенной вокруг вас абсолютно симметрична и однородна, – система отсчета космологического принципа. Это «каноническая СО» теории Большого взрыва, система отсчета Леметра, в которой каждая галактика находится почти в состоянии покоя и Вселенная расширяется благодаря не движению галактик, а расширению пространства между ними.

Чтобы произвести такие измерения, я решил одновременно наблюдать за двумя частотами – той, которая характеризовала микроволновое излучение атмосферы Земли, и той, которая принадлежала сигналам из космоса. Эксперимент следовало проводить на большой высоте – возможно, на вершине горы, но лучше всего на воздушном шаре или самолете. Попробовав шары, я пришел к выводу, что они неудобны (например, часто терпят крушения). Я старался также упростить эксперимент и использовать обычные приборы, работающие при комнатной температуре, а не детекторы шумов, требующие сильного охлаждения. Использование антенн с относительно нормальной температурой предполагало возможность работы с приемной аппаратурой, обладающей лучшими характеристиками теплопроводности, что помогло бы исключить влияние самих приборов на выводы об анизотропии. Таким образом, впервые в жизни я изучал природу теплового потока[137].

К проекту присоединился Джордж Смут[138], физик из лаборатории космических исследований университета Беркли. Директор исследовательского центра Ames Национального аэрокосмического агентства Ганс Марк предложил использовать исследовательский самолет NASA U‑ 2, и мы скомпоновали наши измерительные приборы, чтобы разместить в его кабине. Для улавливания микроволнового излучения я решил применить специальные рупоры. В них должен был использоваться оптический эффект аподизации (действия над оптической системой, приводящие к изменению распределения интенсивности в дифракционном изображении светящейся точки), чтобы ослабить сигналы, поступавшие под слишком широкими углами. Смут по публикациям подобрал подходящую схему, которая должна была сработать. Мы сконструировали несколько приборов с рупорами, и я испытал их в нашей лаборатории. Мне помогал первый докторант Марк Горенштейн, который в итоге защитил на проекте докторскую диссертацию.

Это была долгая и трудная работа, но после нескольких полетов мы выяснили, что излучение оказалось не полностью однородным. Самая яркая часть располагалась к югу от созвездия Льва, а самая темная – на противоположной стороне, в созвездии Рыб. В этих пределах яркость плавно менялась – пропорционально косинусу угла по отношению к созвездию Льва. Это явно подтверждало, что излучение существует из‑ за движения Земли по отношению к отдаленному веществу межзвездной среды Вселенной.

Из амплитуды этих «космических косинусов» я высчитал скорость Млечного Пути: она приближается к 1 600 000 км/ч. Красивое и впечатляющее число.

Если мы движемся со скоростью 1, 6 млн км/ч, может ли наша Галактика находиться в состоянии покоя, как это следует из модели Леметра? А она и не в состоянии покоя. Модель Леметра допускала, что отдельные галактики могут совершать локальные перемещения, которые называются пекулярными движениями [139], например обращения вокруг ближайшей группы галактик. Или, как в случае Млечного Пути, притягиваемые силами гравитации близкой галактики Андромеды. Леметр просто полагал, что такое локальное движение мало по масштабам и осуществляется в случайных направлениях.