Мичио Каку
Паралелни светове (5)

3
Големият взрив

„Вселената не е просто по-особена, отколкото предполагаме. Тя е по-особена, отколкото изобщо можем да си представим.“

Дж. Б. Холдейн

„Ние хората търсим в историята за сътворението начин за възприемане на света, който да ни разкрие съвършенството, който ни дава познание и същевременно формира мисленето ни. Това искат хората. Това искат душите ни.“

Джоузеф Камбъл

Списание „Тайм“ от 6 март 1995 г. излезе със снимка на огромната спираловидна галактика M100 на корицата и с гръмкото заглавие „Космологията е в хаос“. Причина за шумотевицата бяха най-новите данни от телескопа „Хъбъл“, според които като че ли излизаше, че вселената е по-млада от най-старата звезда в нея — нещо напълно невъзможно. Данните показваха, че вселената е на възраст между 8 и 12 милиарда години, докато според някои астрономи най-старата звезда е на 14 милиарда години. „Не можете да бъдете по-възрастни от майка си“, остроумно отбеляза Кристофър Импи от университета в Аризона.

Но след като прочетете текста под заглавието, разбирате, че теорията за Големия взрив си е съвсем актуална. Данните, които го отхвърлят, се основават на една-единствена галактика — M100, което едва ли може да се нарече сериозен научен подход. Вратичките според статията са „достатъчно големи, за да мине през тях и корабът «Ентърпрайз»“. Според суровите данни от космическия телескоп „Хъбъл“ възрастта на вселената може да се изчисли с точност 80–90 процента.

Мисълта ми е, че теорията за Големия взрив не се основава на умозрителни заключения, а на стотици улики от няколко различни източника, които се обединяват около една-единствена последователна и логична теория. (В науката не всички теории се доказват впоследствие. Всеки е свободен да предложи своя теория за възникването на вселената, но тя трябва да обясни стотиците събрани досега данни, които подкрепят теорията за Големия взрив.)

Трите основни „доказателства“ на теорията за Големия взрив се основават на трудовете на трима велики учени, доминиращи в своята област — Едуин Хъбъл, Джордж Гамов и Фред Хойл.

Едуин Хъбъл, астрономът патриций

Макар че теоретичните основи на космологията са поставени от Айнщайн, съвременната, основана на наблюдения космология е била разработена почти самостоятелно от Едуин Хъбъл — може би най-важният астроном на XX век.

Роден през 1889 г. в затънтените гори на Маршфийлд, Мисури, Хъбъл бил скромно провинциално момче с големи амбиции. Баща му работел като адвокат и застрахователен агент и естествено настоявал синът му да направи кариера като юрист. Хъбъл обаче бил очарован от книгите на Жул Верн, а звездите направо го омагьосвали. Поглъщал на един дъх такива класики в научната фантастика като „Двадесет хиляди левги под водата“ и „От Земята до Луната“. Освен това бил доста добър боксьор. Мнозина настоявали да стане професионалист и да излезе срещу световния шампион тежка категория Джак Джонсън.

Хъбъл спечелил престижната стипендия „Роудс“ за право в Оксфорд, където възприел маниерниченето на британското висше общество. Започнал да носи костюми от туид, да пуши лула, да говори с характерен английски акцент и да разказва за белезите си от дуели (носят се слухове, че си ги е направил сам).

Въпреки това Хъбъл се чувствал нещастен. Онова, което наистина го мотивирало, не били закононарушенията и съдебните процеси. Още от детството голямата му страст били звездите. Хъбъл не се поколебал да се откаже от правото и постъпил в Чикагския университет и обсерваторията „Маунт Уилсън“, Калифорния, където се намирал най-големият телескоп на планетата по онова време (огледалото му било с диаметър 100 инча^[1]). Започвайки толкова късно кариерата си, на Хъбъл му се наложило да бърза. За да навакса изгубеното време, той незабавно се заел да намери отговора на някои от най-сложните и труднорешими загадки на астрономията.

През 20-те години на XX в. вселената била удобно място. Широко разпространено било мнението, че тя се състои единствено от галактиката Млечен път — мъгливата ивица светлина, прорязваща нощното небе и приличаща на разлято мляко. (Самата дума „галактика“ произлиза от старогръцката дума за мляко.) Точно тогава започнал прочутият дебат между астрономите Харлоу Шапли от Харвард и Хебър Къртис от обсерваторията „Лик“. Известен под името „Формата на вселената“, дебатът се въртял около размерите на Млечния път и на самата вселена. Шапли защитавал мнението, че Млечният път представлява цялата видима вселена. Къртис смятал, че отвъд него се намират „спираловидни мъглявини“ — странни и прекрасни петънца виеща се светла омара. (Още през XVIII в. философът Имануел Кант изказал предположението, че тези спираловидни мъглявини са „островни вселени“.)

Хъбъл живо се заинтересувал от дебата. Ключовият проблем бил в това, че определянето на разстоянието до звездите било (и все още е) една от най-мъчните задачи в астрономията. Отдалечената ярка звезда може да изглежда абсолютно еднакво с по-слабо, но намиращо се по-близо до Слънцето светило. Това станало източник на множество разпалени спорове и противоречия между астрономите. За да разреши проблема, Хъбъл се нуждаел от „стандартна свещ“ — обект, излъчващ едно и също количество светлина навсякъде във вселената. (Всъщност огромна част от работата на космолозите заемат опитите да се намерят и калибрират такива стандартни свещи. Много от големите дебати в астрономията се въртят около въпроса доколко надеждни са всъщност тези еталони.) Ако разполагаме със стандартна свещ, която свети еднакво и с една и съща мощност където и да е във вселената, тогава четири пъти по-слабата от нормалното звезда ще бъде просто два пъти по-отдалечена от Земята.

Една нощ, докато проучвал снимка на спираловидната мъглявина Андромеда, Хъбъл получил просветление. Открил в мъглявината променлива звезда (астрономите наричат такива звезди цефеиди), грижливо каталогизирана от Хенриета Левит. Известно било, че яркостта й равномерно нараства и отслабва и времето, необходимо за един пълен цикъл, се намирало в пряка зависимост с яркостта. Колкото по-ярка е една звезда, толкова по-дълъг е нейният цикъл на пулсиране. Това означава, че само с измерването на цикъла може да се установи яркостта на звездата и оттук да се определи разстоянието до нея. Хъбъл открил, че периодът на въпросната звезда е 31,4 дни, което за негова най-голяма изненада означавало разстояние един милион светлинни години, далеч извън пределите на Млечния път. (Диаметърът на Млечния път е едва 100 000 светлинни години. По-късните изчисления показали, че Хъбъл всъщност е подценил реалното разстояние до Андромеда, което е почти 2 милиона светлинни години.)

Хъбъл повторил експеримента със звезди в други спираловидни мъглявини и открил, че и те се намират далеч извън пределите на Млечния път. С други думи, станало ясно, че спираловидните мъглявини представляват цели островни вселени и че Млечният път е просто една от многото галактики.

Изведнъж размерите на вселената станали огромни. Вместо с една-единствена, тя се оказала изпълнена с милиони, а може би и милиарди галактики. Диаметърът й внезапно нараснал от 100 000 на милиони или милиарди светлинни години.

Само това откритие било достатъчно, за да осигури на Хъбъл място в пантеона на великите астрономи. Той обаче успял да бие собственото си постижение. Хъбъл твърдо решил не само да открие разстоянието до другите галактики, но и да изчисли с каква скорост се движат те.

Доплеровият ефект и разширяващата се вселена

Хъбъл знаел, че най-простият начин да се изчисли скоростта на далечни обекти е да се анализира промяната в излъчвания от тях звук или светлина, известна като доплеров ефект. Можем да го разпознаем в звука на автомобилите, когато минават покрай нас по магистралата. Полицията го използва, за да изчисли дали не карате с превишена скорост — към колата ви се насочва лазерен лъч, който се отразява обратно до полицейската кола. От промяната в честотата на лазера полицаите могат да определят колко бързо се движите.

Ако една звезда например се движи към вас, излъчваните от нея светлинни вълни са притиснати като гънките на прибран акордеон. В резултат на това дължината на вълната става по-малка. Жълтата звезда ще изглежда леко синкава (защото вълната на синия цвят е по-къса от тази на жълтия). А ако звездата се отдалечава, светлинните й вълни се разтягат и така жълтата звезда ще изглежда червеникава. Колкото по-голямо е отклонението, толкова по-висока е скоростта на звездата. Така ако знаем промяната в честотата на светлината на една звезда, ще можем да определим скоростта й.

При анализа на данните за свое изумление Хъбъл открил, че галактиките се отдалечават от Земята с огромна скорост. Вселената не само се оказала много по-голяма от очакваното, но и се разширявала с огромна скорост. Като се изключат някои дребни отклонения, Хъбъл открил, че при галактиките се наблюдава не синьо, а червено отместване, причинено от отдалечаването им от нас. Откритието показвало, че вселената всъщност не е статична, както предполагали Нютон и Айнщайн, а динамична.

През всички тези векове, през които учените се занимавали с парадоксите на Бентли и Олбърс, никой не се замислял сериозно върху възможността вселената да се разширява. През 1928 г. Хъбъл предприел съдбовно пътуване до Холандия, за да се срещне с Вилем де Ситер. Бил заинтригуван от предположението на Де Ситер, че колкото по-далеч се намира дадена звезда, толкова по-бързо би трябвало да се отдалечава от нас. Представете си надуван балон с галактики, отбелязани като точки върху повърхността му. При разширяването на балона най-близко намиращите се галактики ще се раздалечават една от друга сравнително бавно, докато намиращите се на другия край на балона ще се отдалечават далеч по-бързо.

Де Ситер насърчил Хъбъл да провери чрез измерване на червеното отместване на галактиките дали този ефект може да се открие в събраните данни. Колкото по-голямо е отместването на дадена галактика, толкова по-бързо тя се отдалечава от нас и следователно толкова по-далеч би трябвало да се намира. (Според теорията на Айнщайн от техническа гледна точка червеното отместване не се причинява от отдалечаването на галактиката от Земята, а от разширяването на самото пространство помежду им. Червеното отместване се дължи на това, че светлината от отдалечената галактика се разтегля от разширяването на пространството и затова изглежда отместена към червения спектър.)

Законът на Хъбъл

Когато се върнал в Калифорния, Хъбъл последвал съвета на Де Ситер и потърсил доказателства за ефекта. Анализът на двадесет и четири галактики показал, че колкото по-отдалечена е дадена галактика, толкова по-бързо тя се отдалечава от нас — точно както показвали и уравненията на Айнщайн. Отношението между двете стойности (скоростта, разделена на разстоянието) било приблизително едно и също. Това отношение бързо добило известност като константата на Хъбъл, или H. Това е може би най-важната константа в цялата космология, тъй като ни дава скоростта на разширяването на вселената.

Щом вселената се разширява, започнали да разсъждават учените, значи може би тя е имала някакво начало. Всъщност инверсната стойност на константата на Хъбъл ни дава приблизителната възраст на вселената. Да си представим, че гледаме видеозапис на експлозия. Виждаме разхвърчаващите се от центъра й отломки и по тях можем да изчислим скоростта на разширяването. Това обаче означава също, че можем да пуснем записа отзад напред, докато всички отломки не се съберат в една обща точка. Тъй като знаем скоростта на разширяването, можем приблизително да изчислим времето на експлозията.

(Според оригиналните изчисления на Хъбъл възрастта на вселената била около 1,8 милиарда години, което създало сериозно главоболие на цели поколения космолози — вселената се оказала по-млада от предполагаемата възраст на Земята и звездите. Години по-късно астрономите открили, че светлината от променливите звезди в Андромеда се заглушава от прашни облаци, поради което константата на Хъбъл била с неправилна стойност. Всъщност през последните седемдесет години се водеха цели „Хъбълови войни“ заради точната стойност на H. Най-достоверният резултат, с който разполагаме днес, е от сателита WMAP.)

През 1931 г., по време на триумфалното си посещение в обсерваторията „Маунт Уилсън“, Айнщайн за първи път се срещнал с Хъбъл. Когато се убедил, че вселената наистина се разширява, той нарекъл своята космологичната константа „най-голямата ми грешка“. (Все пак, както ще видим при разглеждането на данните от WMAP по-нататък, дори грешка на Айнщайн не е достатъчна, за да разклати основите на космологията.) Докато развеждали съпругата на Айнщайн из огромната обсерватория, й обяснили, че гигантският телескоп се използва за определяне на формата на вселената. Г-жа Айнщайн невъзмутимо отвърнала: „Мъжът ми прави това на обратната страна на пощенски плик.“

Големият взрив

Белгийският свещеник Жорж Льометр се запознал с теорията на Айнщайн и бил очарован от идеята, че теорията предполага разширяваща се вселена, а това логично води до заключението, че е имала начало. Той си дал сметка, че тъй като при свиването си газовете се нагорещяват, то по време на раждането си вселената би трябвало да е невъобразимо гореща. През 1927 г. Льометр изказал тезата, че вселената трябва да е започнала съществуването си като „свръхатом“ с невероятно висока температура и плътност, който внезапно експлодирал и положил началото на разширяващата се вселена на Хъбъл: „Еволюцията на света може да се сравни с току-що изгаснал фойерверк — останали са само няколко червени ленти, пепел и дим. Стоящи върху добре изстиналата пепел, ние виждаме бавното отслабване на слънцата и се опитваме да си представим изчезналото великолепие от началото на световете.“^[2]

(Първият, предложил идеята за първичния „свръхатом“, отново е Едгар Алън По. Той посочил, че материята привлича други видове материя и следователно в началото би трябвало да има всеобща концентрация на атоми.)

Льометр се появявал на конференциите на физиците и досаждал на учените с вижданията си. Те обикновено го изслушвали учтиво и леко насмешливо, след което тихомълком загърбвали идеята. Артър Едингтън, един от водещите физици по онова време, казал: „Като учен аз просто не мога да приема, че сегашната вселена е започнала с взрив… Идеята за внезапно начало на съвременния ред в природата е неприемлива за мен.“^[3]

С течение на годините обаче неговата настойчивост постепенно изтощила съпротивата на научната общност. Ученият, който щял да стане най-важният говорител и популяризатор на теорията за Големия взрив, в крайна сметка щял да представи и най-убедителното доказателство за верността й.

Джордж Гамов, космическият палячо

Ако Хъбъл бил изтънченият патриций на астрономията, то продължителят на делото му е един не по-малко велик учен — Джордж (Георгий) Гамов. В много отношения той бил пълна противоположност на Хъбъл — шегаджия и зевзек, прочут с номерата си и с двадесетте си книги, повечето от които ориентирани към младото поколение. Няколко поколения физици (в това число и аз самият) бяхме възпитани от неговите забавни и информативни трудове за физиката и космологията. По времето, когато теорията за относителността и квантовата теория предизвикваха истинска революция в науката и обществото, книгите му бяха уникални — те бяха единственото достоверно четиво за най-новите научни постижения, достъпно за тийнейджъри.

Докато „редовите“ учени често страдат от липса на идеи и предимно пресяват огромните купища сухи данни, Гамов е един от съзидателните гении на времето си и от него направо извирали идеи, които щели да променят света на ядрената физика, космологията и дори на генетиката. Може би неслучайно Джеймс Уотсън, който заедно с Франсис Крик разкри тайната на молекулата на ДНК, е озаглавил автобиографията си „Гени, Гамов и момичета“. Както си спомня колегата му Едуард Телер, „90 процента от теориите на Гамов бяха погрешни и това лесно можеше да се установи. Но той нямаше нищо против. Беше от онези хора, които не изпитват особена гордост от откритията си. Можеше да подхвърли последната си идея и след това да я вземе на подбив“^[4]. Оставащите 10 процента от идеите му обаче били достатъчни да преобърнат цялата наука.

Гамов бил роден през 1904 г. в Одеса, по време на първите социални вълнения в Русия. Спомня си как „класите често нямаха никакво значение, когато Одеса биваше бомбардирана от някой вражески кораб, когато гръцки, френски или британски експедиционни корпуси щурмуваха на нож по улиците окопалите се бели, червени и дори зелени руски части, или когато руснаците от различните цветове се биеха помежду си“^[5].

Повратният момент в живота му настъпил, когато отишъл в църквата, отмъкнал тайно малко от хляба за причастие и го занесъл вкъщи след службата. Когато го разгледал под микроскоп, не успял да види никаква разлика между обредния хляб, представляващ плътта на Исус Христос, и обикновения. „Мисля, че този експеримент ме направи учен“^[6], заключава той.

Постъпил в Ленинградския университет и бил ученик на Александър Фридман. По-късно, докато бил в университета в Копенхаген, успял да се срещне с такива гиганти във физиката като Нилс Бор. (През 1932 г. Гамов и съпругата му направили неуспешен опит за бягство от Съветския съюз, като преплават на сал разстоянието от Крим до Турция. Щастието му се усмихнало по-късно, когато отишъл на конференция по физика в Брюксел. С бягството успял да си спечели смъртна присъда в родината си.)

Първият голям успех на Гамов бил през 20-те години в Русия, когато разрешил загадката защо е възможно радиоактивното разпадане. От трудовете на мадам Кюри и други физици учените знаели, че атомът на урана е нестабилен и излъчва радиация под формата на алфа-лъчи (ядра на хелий). Според Нютоновата механика загадъчната ядрена сила, удържаща ядрото в едно цяло, би трябвало да не позволява подобно излъчване. Как тогава било възможно то?

Гамов (наред с Р. У. Гърни и Е. У. Кондън) разбрал, че радиоактивното разпадане е възможно, тъй като принципът на неопределеността в квантовата теория означава, че никой не може да каже къде точно се намира дадена частица и каква е скоростта й. Ето защо съществува известна вероятност тя да „пробие“ или да се промъкне през бариерата. (Днес тази идея е централна в цялата физика и се използва за обясняване свойствата на електронните устройства, черните дупки и на Големия взрив. Самата вселена може да е възникнала чрез „пробив“.)

Като пример Гамов предлага да си представим затворник, ограден от огромните стени на изправително заведение. В класическата Нютонова вселена той не би могъл да избяга по никакъв начин. Но в странния свят на квантовата теория не можем да бъдем абсолютно сигурни къде точно се намира затворникът в даден момент и с каква скорост се движи. Ако той се блъска достатъчно често в стените на затвора, може да се изчисли, че един ден ще успее да мине направо през тях в грубо несъответствие със здравия разум и Нютоновата механика. Има крайна и поддаваща се на изчисляване вероятност затворникът да се озове извън стените на затвора. За големи тела като затворници ще се наложи да почакаме по-дълго, отколкото е отделеното на вселената време. Но на алфа и другите субатомни частици подобно нещо се случва през цялото време, тъй като те непрекъснато бомбардират стените на ядрото с огромни количества енергия. Според мнозина Гамов би трябвало да получи Нобелова награда за това жизненоважно откритие.

През 40-те години интересите на Гамов започнали да се насочват от теорията на относителността към космологията, която му приличала на пълен със съкровища тайнствен континент. Единственото, което се знаело за вселената по онова време, било, че небето е черно и че вселената се разширява. Гамов бил воден от една-единствена идея — да открие някакви доказателства или „фосили“, доказващи, че преди милиарди години наистина е имало Голям взрив. Това била трудна задача, тъй като космологията не е експериментална наука в истинския смисъл на това понятие. Никой не може да направи експеримент с Големия взрив. Космологията по-скоро прилича на криминалистика — тя търси „следи“ или улики на местопрестъплението, докато експерименталната наука прибягва до прецизни и контролирани експерименти.

Ядрената кухня на вселената

Следващият голям научен принос на Гамов е откриването на ядрените реакции, водещи до образуването на най-лекият елемент във вселената. Обичал да ги нарича „праисторическата кухня на вселената“, в която всички елементи се сготвяли от ужасните температури на Големия взрив. Днес този процес се нарича „ядрен синтез“, или изчисляване на относителния дял на елементите във вселената. Идеята на Гамов била, че съществува непрекъсваема верига, започваща от водорода, която може да се създаде, като се добавят нови и нови частици към водородния атом. Цялата Менделеева таблица според него би могла да се получи от горещината на Големия взрив.

Гамов и студентите му смятали, че тъй като в момента на възникването си вселената представлявала невъобразимо гореща колекция от протони и неутрони, това е създавало условия за термоядрен синтез, при който водородните атоми се сливали, за да образуват атомите на хелия. Подобно на водородната бомба или звездата, температурите били толкова високи, че протоните на водорода бивали до такава степен притискани един към друг, че в крайна сметка ядрата се свивали и образували ядро на хелий. По-нататъшните сблъсъци между ядрата на водорода и хелия водели до образуването на следващата група елементи, сред които лития и берилия. Гамов приемал, че по-нататък можело да се стигне до образуването на по-тежки елементи чрез добавяне на все повече и повече субатомни частици към ядрото — с други думи, че всичките стотина елемента, изграждащи видимата вселена, са били „сготвени“ в огнената пещ на Големия взрив.

В характерния си стил Гамов изложил само общите рамки на амбициозната си програма и оставил докторанта си Ралф Алфър да се занимае с детайлите.^[7] Когато работата била завършена, Гамов не успял да се удържи да даде израз на типичния си хумор и поставил името на физика Ханс Бете като съавтор. Така трудът станал известен като „алфа-бета-гама“.

Гамов открил, че температурата при Големия взрив е била достатъчно висока за образуването на хелия, чиято маса съставлява около една четвърт от масата на вселената. Ако се поеме по обратния път, „доказателство“ за Големия взрив можем да намерим като просто погледнем множеството съществуващи в момента звезди и галактики и си дадем сметка, че те са съставени от около 75 процента водород, 25 процента хелий и следи от други елементи. (Както казва астрофизикът Дейвид Спергъл от Принстън, „всеки път, когато си купувате балон, получавате атоми, създадени в първите няколко минути на Големия взрив“.)^[8]

В хода на изчисленията си обаче Гамов се натъкнал на проблеми. Теорията му работела добре за най-леките елементи, но елементите с 5 и 8 неутрона и протона са изключително нестабилни и следователно не можели да послужат за „мост“ към елементите с по-голям брой протони и неутрони. Тъй като вселената се състои от тежки елементи с много повече протони и неутрони, това си оставало космическа загадка. Неуспехът на Гамов да премине преградата на елементите с 5 и 8 частици останал сериозен проблем в продължение на години и обрекъл на неуспех желанието му да покаже, че всички те са създадени в момента на Големия взрив.

Микровълново фоново лъчение

Същевременно Гамов се интересувал и от една друга идея — ако Големият взрив е бил толкова невъобразимо горещ, то може би и до днес във вселената циркулира малко остатъчна топлина. Откриването й би означавало откриване на „фосилни останки“ от самия Голям взрив. Може би той е бил толкова колосален, че следите му все още изпълват вселената с еднородно лъчение.

През 1946 г. Гамов приемал, че Големият взрив е започнал със свръхгорещо ядро от неутрони. Предположението му било основателно, тъй като по онова време за субатомните частици без електрона, протона и неутрона се знаело съвсем малко. Ако можел да изчисли температурата на това кълбо от неутрони, Гамов би получил и количеството и естеството на лъчението им. Две години по-късно Гамов показал, че отделеното от това свръхнагорещено ядро лъчение би трябвало да действа като „лъчение на черното тяло“. Това е много специфичен вид енергия, отделяна от нагорещено тяло. Тя абсорбира цялата попаднала в нея светлина и в отговор излъчва по характерен начин. Например Слънцето, стопената лава, горящите въглища и нагорещената керамика сияят в жълто-червено и отделят „лъчение на черното тяло“. (Това лъчение било открито за първи път от прочутия майстор на порцелан Томас Уеджуд през 1792 г. Той забелязал, че когато изпича суровите материали в пещта, цветът им се променя от червен през жълт до бял с покачването на температурата.)

Това е важно, тъй като ако се знае цветът на нагорещения обект, може грубо да се изчисли температурата му и обратното — точната формула, определяща отношението между температурата и отделяното лъчение, била изведена през 1900 г. от Макс Планк, което довело до появата на квантовата теория. (Всъщност точно по този начин учените определят температурата на Слънцето. То излъчва предимно жълта светлина, която съответства на температура на черното тяло около 6000°K^[9]. Така получаваме температурата на външната атмосфера на Слънцето. По същия начин се определя, че температурата на повърхността на червения гигант Бетелгейзе е около 3000°K — температура на черното тяло, съответстваща на червения цвят, който виждаме и в горящите въглища.)

В статията на Гамов от 1948 г. за първи път се изказва предположението, че лъчението на Големия взрив би трябвало да има една специфична характеристика — лъчение на черното тяло. Тази най-важна характеристика е температурата. Следващата задача на Гамов била да изчисли настоящата температура на лъчението на черното тяло.

Докторантът Ралф Алфър и един друг ученик на Гамов — Робърт Херман — се опитали да завършат изчисленията. Гамов отбелязва: „Ако екстраполираме от Големия взрив до наши дни, ще открием, че за изминалите еони вселената би трябвало се е охладила до около пет градуса над абсолютната нула.“^[10]

През 1948 г. Алфър и Херман публикували статия, в която подробно обясняват защо остатъчната температура от Големия взрив трябва да е около пет градуса над абсолютната нула (изчисленията им се оказаха забележително близки до известната ни днес температура — 2,7 градуса над абсолютната нула). Лъчението, което според тях попада в микровълновия диапазон, би трябвало да се среща във вселената и да я изпълва с еднороден фон.

(Ето и как се стига до такова заключение. В продължение на години след Големия взрив температурата на вселената е била толкова висока, че всеки новопоявил се атом бивал разкъсан на части от хаотични енергийни сблъсъци с други субатомни частици. Така вселената е била матова, а не прозрачна. Всеки светлинен лъч в тази свръхнагорещена обстановка би трябвало да бъде абсорбиран, след като е изминал съвсем малко разстояние, затова вселената е изглеждала замъглена. След 379 000 години обаче температурата се понижила до 3000 градуса и атомите престанали да бъдат разцепвани от сблъсъците. В резултат на това станало възможно формирането на стабилни атоми и светлината можела да пропътува светлинни години, без да срещне преграда. Така за първи път празното пространство станало прозрачно. Лъчението, което вече не било абсорбирано веднага щом се появявало, все още циркулира из вселената и до днес.)

Когато Алфър и Херман представили на учителя си окончателните си изчисления за температурата на вселената, Гамов бил разочарован. Температурата се оказала толкова ниска, че било изключително трудно да се измери. Трябвала му цяла година, за да приеме най-сетне, че подробностите от изчисленията са верни, но така и изгубил надежда, че ще успее да измери толкова слабо лъчение. Съществуващият през 40-те години инструментариум бил абсолютно неспособен да измери толкова слаб фон. (При по-късните си изчисления, основани на неточни изходни предпоставки, Гамов получил температура до 50 градуса над абсолютната нула.)

Учените изнесли серия лекции и публични изявления, за да популяризират труда си. За съжаление пророческият им резултат останал извън интересите на колегите им. „Изразходвахме ужасно много енергия да популяризираме работата си — казва Алфър. — Никой не захапа, никой не каза, че температурата може да се измери… И така за периода между 1948 и 1955 г. ние почти се отказахме.“^[11]

Непоколебимият Гамов с книгите и лекциите си станал основен проводник на теорията за Големия взрив. Наложило му се обаче да се изправи срещу могъщ противник, който му бил почти равен. Докато Гамов можел да очарова аудиторията с дяволитите си шеги и остроумие, Фред Хойл я спечелвал с блестящия си ум и агресивно дръзко поведение.

Фред Хойл, вечният опозиционер

Микровълновото фоново лъчение ни дава „второто доказателство“ за Големия взрив. Човекът, който изглеждал най-малко вероятен кандидат за откривател на третото доказателство, е Фред Хойл — човек, който по ирония на съдбата през цялата си кариера се опитвал да опровергае теорията за Големия взрив.

Хойл бил олицетворение на академичен темерут — блестящ опозиционер, дръзващ да предизвика конвенционалните си колеги с понякога доста заядлив тон. Докато Хъбъл бил истински патриций с маниерите си на благородник от Оксфорд, а Гамов — забавен клоун и енциклопедист, омайващ публиката с остроумните си коментари, шеги и лудории, Хойл приличал на настръхнал булдог и стилът му изобщо не подхождал на достолепните зали на Кембридж, из които витаел духът на великия Исак Нютон.

Хойл е роден през 1915 г. в Северна Англия в семейството на търговец на платове. Родното му място било център на дърводобивната промишленост. Още от дете изпитвал жив интерес към науката. Радиото току-що се било появило в селото и по-късно Хойл си спомня как двадесет или тридесет души трескаво прокарали жиците на радиоточките до домовете си. Повратният момент в живота му настъпил, когато родителите му подарили телескоп.

Комбинативният стил на Хойл се проявил още в детството му. На тригодишна възраст усвоил таблицата за умножение, след което учителката му заръчала да научи латинските числа. „Що за малоумник трябва да бъдеш, за да пишеш VIII вместо 8? — спомня си с презрение той. — С тъга открих, че съм се родил в свят, доминиран от вилнеещо чудовище, носещо името «закон», което е колкото всемогъщо, толкова и безумно“^[12], пише той, когато му казали, че по закон трябвало да тръгне на училище.

Отвращението му към авторитетите се затвърдило от сблъсъка му с една друга учителка, която обяснила на класа, че някакво цвете имало само пет венчелистчета. За да докаже, че не е права, Хойл донесъл в клас цвете с шест венчелистчета. Заради нечуваната проява на неуважение към висшестоящия учителката силно го зашлевила по лявото ухо.^[13] По-късно Хойл оглушал с него.

Теорията за стационарната вселена

През 40-те години Хойл не бил особено очарован от теорията за Големия взрив. Един от недостатъците й бил, че Хъбъл не взел предвид заглушаването на звездната светлина от облаците космически прах и в резултат на това изчислил, че възрастта на вселената е едва 1,8 милиарда години. Геолозите твърдели, че Земята и Слънчевата система вероятно са много по-стари. Как е възможно вселената да е по-млада от съществуващите в нея планети?

Заедно с колегите си Томас Голд и Херман Бонди Хойл започнал кампания срещу теорията. Според мълвата тяхната теория, известна като теория за стационарната вселена, била вдъхновена от един филм за призраци от 1945 г. с Майкъл Редгрейв, озаглавен „Смъртта на нощта“. Филмът представлява серия от истории за призраци, но особено запомняща се е последната сцена — краят е същият като началото. Така филмът е кръгов, без начало и без край. Това уж вдъхновило тримата да излязат с теория за вселена без начало и без край. (По-късно Голд внася повече светлина върху историята: „Мисля, че бяхме гледали филма няколко месеца по-рано и след като предложих идеята за стационарната идея, се сетих, че прилича донякъде на него.“^[14])

Според този модел отделни части от вселената наистина се разширяват, но в пространството непрекъснато се създава нова материя и така плътността на вселената си остава една и съща. Въпреки че не можела да обясни мистериозния начин, по който материята се получава от нищото, теорията незабавно намерила група поддръжници, които започнали истинска война срещу теоретиците на Големия взрив. На Хойл му се струвало нелогично огненият катаклизъм да се е появил от нищото и да разпръсне галактики във всички посоки. Предпочитал плавното сътворение на материята от нищото. С други думи вселената за него е вечна — без край и без начало. Тя просто съществува.

(Конфронтацията между теорията за стационарната вселена и теорията за Големия взрив прилича на противоречията между геологията и другите науки. В геологията имало продължителен дебат между униформистите (според които Земята се е оформила чрез плавни и постепенни промени, продължаващи милиони години) и катастрофистите (според които промените настъпили бързо в резултат на катаклизъм). Макар че униформизмът все още обяснява голяма част от геологическите и екологичните особености на планетата, никой не може да отрече сблъсъците с комети и метеори, довели до масови измиралия, или разделянето и движението на континентите.)

Лекции по Би Би Си

Хойл никога не изпускал възможността да се опълчи срещу противниците си. През 1949 г. двамата с Гамов били поканени от Би Би Си да проведат дебат върху произхода на вселената. По време на предаването Хойл влязъл в историята с удара срещу опонента си: „Тези теории се основават на хипотезата, че цялата материя във вселената е била създадена в един голям взрив в някакъв момент от далечното минало.“ Името останало. Теорията била кръстена „Големия взрив“ от най-непримиримия й враг. (По-късно Хойл твърдял, че не е имал намерение да прозвучи пренебрежително: „В никакъв случай не исках думите ми да се изтълкуват като унизителни. Исках да бъдат точно в целта.“^[15])

(През изминалите години поддръжниците на Големия взрив положиха героични усилия да променят името на теорията, тъй като не са доволни от едва ли не вулгарното му значение и от факта, че е дадено от най-големия враг на теорията. Пуристите особено силно подскачат и защото името е неточно. Първо, Големият взрив не е бил голям (тъй като е започнал от някакъв вид сингулярност или образуването на черна дупка, много по-малка от атом) и второ, не е имало взрив (тъй като в космоса няма звук, през който да се разпространяват звукови вълни). През август 1993 г. списание „Скай енд Телескоп“ спонсорира конкурс за намиране на подходящо име на теорията за Големия взрив. Бяха подадени 13 000 предложения, но журито така и не успя да определи някое, което да е по-добро от оригиналното име.)

Хойл останал знаменит с небезизвестната си серия радиопредавания за наука по Би Би Си. През 50-те години компанията планирала всяка събота вечер да излъчва на живо беседи на известни учени. Един от поканените гости се отказал в последния момент и продуцентите били принудени спешно да намерят заместник. Свързали се с Хойл, който се съгласил да участва. Когато обаче продуцентите проверили досието му, открили в него бележка, на която пишело: „НЕ КАНЕТЕ ТОЗИ ЧОВЕК.“

За щастие продуцентите игнорирали ужасното предупреждение на предшествениците си и така Хойл изнесъл петте си знаменити лекции. Тези превърнали се в класика предавания на Би Би Си буквално омагьосали страната и дори вдъхновили младото поколение астрономи. Уолас Сарджънт си спомня влиянието на лекциите върху себе си: „На петнадесетгодишна възраст чух серията лекции «Вселената» на Фред Хойл. Идеята, че знаем каква е температурата и плътността в центъра на Слънцето, направо ми подейства като гръм от ясно небе. На онази възраст подобно познание ми се струваше недостижимо. Става въпрос не само за изумителните числа, а за самия факт, че изобщо можеш да ги научиш.“^[16]

Ядреният синтез в звездите

Хойл се отнасял с презрение към празното умуване и се заел да провери доколко вярна е теорията му за стационарната вселена. Той си давал сметка, че елементите не са били сготвени в пещта на Големия взрив, както смятал Гамов, а в ядрата на звездите. Ако всичките стотина елемента са възникнали там, то не би имало и нужда от Голям взрив.

В серия основополагащи статии от края на 40-те и 50-те Хойл и колегите му изложили в детайли как при ядрените реакции в ядрото на една звезда (вместо по време на Големия взрив) могат да се добавят протони и неутрони към ядрата на водорода и хелия, докато не се получат по-тежки елементи — поне до желязо. (Учените разрешили затруднилата Гамов загадка как да се създадат елементи с атомно тегло над 5. С гениална прозорливост Хойл се досетил, че ако съществува непознат дотогава нестабилен изотоп на въглерода, получен от три ядра хелий, той би могъл да просъществува достатъчно дълго, за да изпълни ролята на „мост“ и да позволи получаването на по-тежки елементи. В ядрата на звездите тази непозната нестабилна форма на въглерода би могла да просъществува достатъчно, за да се прибавят към нея нови неутрони и протони и да се получат елементи с маса над 5 и 8. Когато въпросният изотоп наистина бе открит, той доказа по един блестящ начин, че ядреният синтез наистина може да се извършва не по време на Големия взрив, а в звездите. Хойл дори създал обемиста компютърна програма, която е в състояние да определи почти единствено въз основа на основните параметри разпределението на елементите, които виждаме в действителност.)

Но дори огромните температури на звездите не са достатъчни, за да „сготвят“ по-тежки от желязото елементи като мед, никел, цинк, уран и т.н. (По ред причини, една от които е отблъскването между протоните в ядрото и липсата на свързваща енергия, е изключително трудно да се извлече енергия чрез сливането на по-тежки от желязото елементи.) За целта била необходима още по-голяма пещ — експлозия на масивна звезда или свръхнова. При предсмъртните гърчове на гигантите температурата може да достигне трилиони градуси и се отделя достатъчно енергия за „сготвянето“ на тежки елементи. Това означава, че елементите след желязото биха могли да бъдат изхвърлени единствено от атмосферите на експлодиращите свръхнови.

През 1957 г. Хойл, Маргарет и Джефри Бърбидж и Уилям Фаулър публикуваха може би най-подробния труд, описващ всички стъпки, необходими за получаване на наличните във вселената елементи и предсказващ относителното им разпределение. Точността на аргументите им била толкова убедителна, че дори Гамов трябвало да се съгласи, че Хойл е дал най-неустоимата картина на ядрения синтез. По характерния за него начин, Гамов дори скалъпил следния текст, написан в библейски стил. В началото, когато Бог създавал елементите,

„… той така се развълнувал от броенето, че пропуснал да спомене петицата и така не могли да се формират по-тежки елементи. Бог се разочаровал изключително много и отначало понечил да свие Вселената отново и да започне от самото начало. Но това не било толкова лесно. Затова, бидейки всемогъщ, Бог решил да поправи грешката си по по-приемлив начин. И рекъл Бог: «Да бъде Хойл.» И стана Хойл. И погледнал Бог към Хойл… И му заповядал да сътвори тежки елементи по какъвто му се хареса начин. И Хойл решил да направи тежките елементи в звездите и да ги разпръска чрез експлозии на свръхнови.“^[17]

Доводи против теорията за стационарната вселена

През десетилетията обаче на няколко фронта започнали постепенно да се трупат свидетелства против теорията за стационарната вселена. Хойл установил, че се е впуснал в предрешена борба. Според неговата теория, тъй като вселената не се развива, а само непрекъснато създава нова материя, в миналото тя би трябвало да изглежда по същия начин, по който я виждаме и сега. Съвременните галактики би трябвало да са идентични с галактиките преди милиарди години. Следователно теорията за стационарната вселена би могла да се отхвърли, ако има данни за големи еволюционни промени в миналото.

През 60-те години в дълбокия космос бяха открити загадъчни източници на огромни количества енергия, кръстени „квазари“, или квазизвездни обекти. (Името било толкова сполучливо, че по-късно бе дадено дори на една телевизионна компания.) Квазарите генерират невъобразими количества енергия и имат огромни червени отмествания, което означава, че се намират на самия край на видимата вселена и че са осветили небесата по времето, когато вселената е била съвсем млада. (Днес астрономите смятат, че квазарите са огромни млади галактики, захранвани от мощността на гигантски черни дупки.) Не разполагаме с данни за съществуващи в момента квазари, макар че според теорията за стационарната вселена би трябвало да ги има. Очевидно те са изчезнали преди милиарди години.

Теорията на Хойл има още един сериозен проблем. Учените разбират, че количеството хелий във вселената е прекалено голямо, за да съответства на предсказанията за стационарна вселена. Познатият от детските балони и цепелините газ се среща доста рядко на Земята, но е вторият по количество елемент във вселената след водорода. На нашата планета хелият се среща толкова рядко, че всъщност е бил открит за първи път в короната на Слънцето. (През 1868 г. учените анализирали преминаваща през стъклена призма слънчева светлина. Лъчът се разложил на характерните спектрални линии и цветове, но учените установили и слаби спектрални линии, причинени от загадъчен и непознат дотогава елемент. Погрешно решили, че става въпрос за някакъв вид метал и му дали характерното за тази група елементи окончание на „ium“. Името на елемента произлиза от гръцката дума за слънце „хелиос“. През 1895 г. хелият бил открит в уранови залежи на Земята и учените със смущение разбрали, че става въпрос не за метал, а за газ. Така името на открития извън Земята елемент се оказало погрешно.)

Ако първоначалният хелий е бил създаден предимно в звездите, както смята Хойл, то той би трябвало да се среща доста рядко и да се намира в близост до ядрото на звездата. Всички астрономически данни обаче показват, че на практика хелият се среща в изобилие и съставлява около една четвърт от масата на атомите в цялата вселена. Установено било, че разпространението му във вселената е равномерно — точно както предполагал Гамов.

Днес знаем, че и в теорията на Гамов, и в теорията на Хойл се съдържа зрънце истина относно ядрения синтез. Първоначално Гамов смятал, че всички химични елементи са остатъци или пепел от Големия взрив. Теорията му обаче станала жертва на проблема с атомните тегла 5 и 8. Хойл бил убеден, че ще може напълно да опровергае теорията за Големия взрив, като покаже, че звездите могат и сами да „сготвят“ елементи без никаква чужда помощ. Теорията му обаче не е в състояние да обясни огромното количество хелий, което наблюдаваме във вселената.

По същество Гамов и Хойл ни дават доста задоволителна картина на ядрения синтез. Най-леките елементи с маси до 5 и 8 наистина са се образували при Големия взрив, както смятал Гамов. Съвременните открития в областта на физиката показват, че при Големия взрив се е образувала по-голямата част от деутерия, хелий-3, хелий-4 и литий-7. По-тежките елементи до желязото обаче са се сформирали в ядрата на звездите, както предполагал и Хойл. Ако добавим по-тежките от желязото елементи (като мед, цинк и злато), изхвърлени от избухналите свръхнови, ще получим пълна картина, обясняваща относителния дял на елементите във вселената. (Всяка теория, наемаща се да обори концепциите за съвременната космология, ще трябва да се нагърби с тежката задача да обясни разпределението на стоте елемента и милиардите им изотопи във вселената.)

Как се раждат звезди

Един страничен продукт на разгорещените дебати върху ядрения синтез е сравнително пълното описание на жизнения цикъл на звездите. Една типична звезда като нашето Слънце започва съществуването си като голямо кълбо от дифузен водород, наречено протозвезда, което постепенно започва да се свива под силата на гравитацията. При свиването си то се върти бързо (което често води до формирането на двойна звездна система, при която двете звезди се гонят една друга по орбитите си, или до формирането на планети в равнината на въртене). Ядрото на звездата се нагорещява неимоверно, докато не достигне температура от един милион или повече градуса, когато започва сливането на водородните атоми и образуването на хелий.

След като звездата засвети, тя се нарича звезда от главната редица и може да просъществува в този си вид около 10 милиарда години, превръщайки бавно водорода в ядрото си в хелий. В момента нашето Слънце се намира по средата на този процес. След като водородът се изчерпа, звездата започва да изгаря хелий, като при това увеличава размера си до орбитата на Марс и се превръща в „червен гигант“. След като хелият в ядрото свърши, външните слоеве на звездата се разнасят и остава самото ядро — „бяло джудже“ с размери, приблизително колкото Земята. При тази звезда по-леките елементи се сливат, докато не образуват желязо. По-малките звезди като нашето Слънце ще завършат живота си в пространството като парчета мъртъв ядрен материал под формата на звезди-джуджета.

При звезди с маса, надвишаваща слънчевата между десет и четиридесет пъти, процесът на ядрен синтез протича много по-бързо. Когато такава звезда се превърне в червен гигант, ядрото й бързо консумира по-леките елементи и прилича на хибридна звезда — бяло джудже в червен гигант. Когато процесът на сливане достигне етапа на създаване на желязо, отделянето на енергия спира и в крайна сметка работилата милиарди години ядрена пещ изгасва. Звездата се свива изключително бързо, при което се създава огромно налягане, буквално натикващо електроните в ядрата. (Плътността може да надхвърли 400 милиарда пъти плътността на водата.) При това температурата може да стигне до трилиони градуси. Гравитационната енергия, свита в такъв малък обем, експлодира навън като свръхнова. Огромните температури отново дават начало на ядрения синтез и така могат да се получават елементи, попадащи в периодичната таблица след желязото.

Например червеният гигант Бетелгейзе, който лесно можем да видим в съзвездието Орион, е нестабилен. Той може всеки момент да се превърне в свръхнова и да изпълни съседните райони с огромни количества гама и рентгенови лъчи. Когато това се случи, свръхновата ще се вижда през деня, а нощем ще свети много по-ярко от Луната. (Навремето бе изказано предположението, че освободените колосални количества енергия от свръхнова са станали причина за изчезването на динозаврите преди 65 милиона години. Всъщност свръхнова на разстояние около петдесет светлинни години наистина е способна да унищожи живота на Земята. За щастие гигантите Спика и Бетелгейзе са отдалечени на 260 и 522 светлинни години — прекалено далеч, за да причинят сериозни щети на Земята при превръщането си в свръхнови. Някои учени обаче смятат, че частичното измиране на морски видове преди около 2 милиона години е било причинено от избухване на свръхнова на разстояние 120 светлинни години от нас.)

Това означава също, че нашето Слънце не е истинската „майка“ на Земята. Макар много народи да почитат Слънцето като бога, който е сътворил земята, това е вярно само отчасти. Макар че Земята наистина е била образувана от Слънцето (като част от отломките и праха, обикалящи около Слънцето преди около 4,5 милиарда години), нашата звезда е едва толкова гореща, колкото да преобразува водорода в хелий. Това означава, че нашата истинска „звезда-майка“ в действителност е някое неизвестно светило или група светила, загинали преди милиарди години като свръхнови и изпълнили околните мъглявини с по-тежки от желязото елементи, от които е съставено тялото ни. Собствените ни тела в буквалния смисъл на думата са съставени от космически прах от звезди, светили милиарди години преди нашето Слънце.

След експлозията на свръхновата остава едно малко тяло, наречено неутронна звезда, съставено от твърда ядрена материя с диаметър едва няколко десетки километра, приблизително колкото Манхатън. (Неутронните звезди били предсказани за първи път през 1933 г. от швейцарския астроном Фриц Цвики, но изглеждали толкова фантастично, че в продължение на десетилетия учените не приемали съществуването им.) Тъй като неутронната звезда излъчва неравномерно и се върти извънредно бързо, тя прилича на морски фар. За наблюдателя от Земята тя сякаш пулсира и затова такива звезди се наричат пулсари.

При много големите звезди, имащи маса може би над 40 пъти по-голяма от слънчевата, след експлодирането им като свръхнови биха могли да останат неутронни звезди, чиято маса е колкото три слънчеви. Гравитацията на подобно тяло е толкова голяма, че е в състояние да преодолее отблъскващите сили между неутроните и звездата да се свие окончателно и да се превърне в може би най-екзотичния обект във вселената — черна дупка, върху която ще се спрем по-подробно в 5 глава.

Птичите изпражнения и Големият взрив

Последният удар в сърцето на теорията за стационарната вселена бе нанесен през 1965 г. с откритието на Арно Пензиас и Робърт Уилсън. Докато търсели радиосигнали от космоса с помощта на 6-метровия радиотелескоп на Лабораториите „Бел“ в Ню Джързи, двамата уловили нежелателен шум. Решили, че по всяка вероятност става въпрос за аберация, тъй като шумът като че ли идвал еднакво силно от всички посоки, а не от конкретна звезда или галактика. Предполагайки, че шумът може би е причинен от мръсотия и отпадъци, двамата грижливо избърсали онова, която Пензиас описва като „покритие от бял диелектрик“ (известно повече като покривало срещу птичи изпражнения) пред отвора на радиотелескопа. Шумът като че ли започнал да се чува още по-силно. Без да осъзнават, двамата учени случайно се натъкнали на микровълновото фоново лъчение, предсказано от групата на Гамов още през 1948 г.

Тук историята на космологията прилича донякъде на криминале, в което три групи детективи се мъчат да разрешат един и същ случай, без да знаят за съществуването на колегите си. От една страна, Гамов, Алфър и Херман изложили теорията зад микровълновото лъчение още през 1948 г. и предсказали, че температурата му е около 5 градуса над абсолютната нула. Изследователите обаче се отказали от опитите си да измерят фоновото излъчване, тъй като по онова време не разполагали с достатъчно прецизни уреди. През 1965 г. Пензиас и Уилсън открили лъчението, но така и не разбрали какво представлява то. Междувременно третата група, ръководена от Робърт Дике от Принстън, преоткрила теорията на Гамов и колегите му. Те се опитали да уловят фоновото излъчване, но оборудването им било направо за окайване и нямали никакви шансове за успех.

Край на тази комична ситуация поставил един общ приятел — астрономът Бърнард Бърк, който разказал на Пензиас за работата на Дике. Когато двата екипа най-сетне се свързали, станало ясно, че Пензиас и Уилсън са уловили сигнали от самия Голям взрив. За това изключително важно откритие двамата получиха Нобелова награда през 1978 г.

Да се върнем малко назад. Двамата най-видни защитници на противоположните теории Хойл и Гамов имали съдбоносна среща в един кадилак през 1956 г., която би могла да промени хода на космологията. „Спомням си, че Джордж ме возеше в един бял кадилак“, разказва Хойл. Гамов повторил убеждението си, че Големият взрив е оставил след себе си сияние, което би трябвало да се долавя дори в момента. Последните му изчисления обаче изкарвали температурата на това сияние около 50 градуса над абсолютната нула. Тогава Хойл направил зашеметяващо откровение. Попаднала му някаква забравена статия на Андрю Макелър от 1941 г., според която температурата в дълбокия космос не е по-висока от 3 градуса — в противен случай ще протичат химични реакции, при които ще се получат повече радикали на въглеводорода (CH) и въглероден нитрат (CN). Чрез измерването на количеството на тези съединения може да се определи температурата на космическото пространство. Авторът открил, че плътността на откритите молекули CN съответства на температура около 2,3°K. С други думи, Гамов не знаел, че фоновото лъчение с температура 2,7°K било измерено косвено още през 1941 г.

„Дали защото в кадилака беше прекалено удобно, или защото Джордж искаше температурата да е по-висока от 3°K, а аз предпочитах да е абсолютна нула, двамата пропуснахме шанса да забележим откритието, направено девет години по-късно от Арно Пензиас и Боб Уилсън“^[18], спомня си Хойл. Ако екипът на Гамов не беше направил грешка в изчисленията и бе получил по-ниски температури, или ако Хойл не бе такъв яростен противник на теорията за Големия взрив, може би историята на космологията щеше да бъде друга.

Лични последици от Големия взрив

Откриването на микровълновото лъчение от Пензиас и Уилсън оказало силно влияние върху кариерите на Гамов и Хойл. За Хойл работата на двамата откриватели била едва ли не смъртоносен удар. През 1965 г. на страниците на „Нейчър“ той най-сетне призна официално поражението си и посочи като причини да се откаже от теорията си за стационарната вселена микровълновото лъчение и огромното количество хелий. Всъщност най-много го объркал фактът, че теорията му изгубила прогностичната си сила: „Смята се, че «стационарната вселена» е убита от микровълновото лъчение, но истинският й гробокопач всъщност е психологията… Именно в микровълновия фон съществува един важен феномен, който не е предсказан… Той ми разказа играта за много години.“^[19] (По-късно Хойл се отметна от думите си и се опита да предложи нови варианти на теорията за стационарната вселена, но всеки следващ опит бе още по-неприемлив.)

За съжаление въпросът за приоритета оставил горчив привкус у Гамов. Ако четем между редовете, ще открием, че той бил лично засегнат, че трудът му и работата на Алфър и Херман рядко се споменават. Вежлив както винаги, той запазил чувствата за себе си, но в личната си кореспонденция се оплаква, че физиците и историците напълно подминавали постиженията на екипа му.

Макар че откритието на Пензиас и Уилсън представлявало съкрушителен удар срещу теорията за стационарната вселена и спомогнало теорията за Големия взрив да застане на здрава експериментална основа, в разбирането на структурата на разширяващата се вселена имало огромни празнини. Например, ако искаме да разберем развитието на една Фридманова вселена, трябва да знаем стойността на Омега (средната плътност на материята). Определянето й обаче стана доста проблематично, след като се оказа, че по-голямата част от вселената е съставена не от познатите атоми и молекули, а от една странна нова субстанция, наречена „тъмна материя“, чиято маса превишава десетократно масата на обикновената материя. Водещите в тази област отново не били взети насериозно от останалата част от астрономическата общност.

Омега и тъмната материя

Темата за тъмната материя е може би една от най-странните теми на космологията. През 30-те години ексцентричният швейцарски астроном Фриц Цвики от „Кал Тек“ забелязал, че галактиките от купа Кома не се движат правилно според Нютоновите закони за гравитацията, а скоростта им е толкова висока, че купът би трябвало да се разпадне. Единственият начин според него Кома да се запази като цяло е в него да има стотици пъти повече материя, отколкото се вижда през телескопа. Или Нютоновите закони не били верни за галактическите разстояния, или имало огромни количества липсваща невидима материя, която държала купа в едно цяло.

Това била първата индикация в историята, че има някакъв много сериозен пропуск по отношение на разпределението на материята във вселената. За съжаление поради няколко причини огромната част от астрономите отхвърлили пионерския труд на Цвики.

Първо те не били склонни да приемат, че Нютоновият закон за гравитацията, доминиращ във физиката от няколко столетия, можел да се окаже неверен. За решаването на подобни кризи вече имало прецеденти. Когато анализирали орбитата на Уран, астрономите установили, че тя леко се отклонява от уравненията на Исак Нютон. В такъв случай или Нютон грешал, или съществувала някаква неизвестна дотогава планета, която въздействала върху Уран. Втората интерпретация се оказала вярна — през 1846 г. само за няколко часа бил открит Нептун след анализиране на местоположението му, предсказано от законите на Нютон.

Освен това съществувал въпросът за личността на Цвики и начина, по който астрономите се отнасят към „аутсайдерите“. Цвики бил мечтател, който често бивал подиграван или игнориран. През 1933 г. заедно с Валтер Бааде въвел термина „свръхнова“ и правилно предсказал, че след експлодирането на звездата ще остане малка неутронна звезда с диаметър около 20 км. Идеята изглеждала толкова нереална, че била взета на подбив на страниците на „Лос Анджелис Таймс“ от 19.01.1934 г. Цвики бил бесен от малката елитна група астрономи, които според него се опитвали да го пратят в задънена улица, крадели идеите му и му отказвали достъп до големите телескопи. (Малко преди смъртта си през 1974 г. той публикува каталог на галактиките с подзаглавие „Напомняне за Върховните жреци на американската астрономия и техните сикофанти^[20]“. Предговорът представлява унищожителна критика на затворената и самовлюбена природа на астрономическия елит, склонен да стъпква отцепници като него. „Днешните подлизурковци и откровени крадци като че ли имат пълното право — особено в американската астрономия — да присвояват откритията и нововъведенията на вълците единаци, които не са конформисти“^[21], пише той. Цвики нарича тези особи „сферични кучи синове“, защото „са кучи синове откъдето и да ги погледнеш“. Особено го разгневил фактът, че бил подминат и Нобеловата награда за откриването на неутронна звезда била присъдена другиму.)^[22]

Любопитният въпрос за движението на галактиките бе преоткрит през 1962 г. от Вера Рубин. Тя проучи въртенето на нашата галактика и се натъкна на същия проблем — астрономическата общност посрещна откритието й също толкова студено. Обикновено колкото по-далеч от Слънцето е някоя планета, толкова по-бавно е движението й и обратно. Неслучайно Меркурий е кръстен на бога на скоростта, тъй като се намира най-близо до Слънцето, а Плутон се движи десет пъти по-бавно от Меркурий, защото е най-отдалечената планета. Но когато анализирала сините звезди в нашата галактика, Вера Рубин открила, че те се въртят около центъра на Млечния път с една и съща скорост независимо от разстоянието им до него и следователно нарушават предписанията на Нютоновата механика. На практика се оказало, че скоростта на въртене на Млечния път е толкова висока, че галактиката ни би трябвало да се е разлетяла на парчета. Тя обаче съществува съвсем стабилно вече около 10 милиарда години. Оставало си загадка обаче защо скоростта на въртене е равномерна. За да не се разпадне, масата на нашата галактика би трябвало да е десет пъти по-голяма, отколкото предполагали учените. Оказва се, че цели 90 процента от материята в Млечния път липсва!

Вера Рубин била игнорирана отчасти поради факта, че е жена. С известна болка тя си спомня, че когато кандидатствала за поста главен специалист в колежа „Суортмор“ и споделила, че обича да рисува, интервюиращият я попитал дали не се е замисляла за кариера, в която да рисува картини с астрономически обекти. „Това стана редовна фраза в семейството ми — спомня си тя. — Всеки път когато с някой се случеше нещо неприятно, го питахме дали не се е замислял за кариера на художник на астрономически обекти.“ Когато казала на учителя си по физика, че е приета във „Васар“, той отвърнал: „Ще си добре, стига да стоиш настрана от науката.“ „Трябва да имаш огромно самочувствие, за да можеш да слушаш подобни неща и да не се съсипеш“^[23], споделя тя.

След завършването си Вера Рубин кандидатствала и била приета в Харвард, но се отказала от мястото, защото се омъжила и заедно със съпруга си (химик) се преместили в Корнел. (Получила официален отговор от Харвард, в края на който на ръка било написано: „Проклети жени! Всеки път когато попадна на добра специалистка, тя неизменно се омъжва.“) Неотдавна Вера Рубин участва в конференция по астрономия в Япония и беше единствената жена. „Всеки път, когато разказвам тази история, започвам да плача. Нищо не се е променило кой знае колко за едно поколение…“, признава тя.

Въпреки всичко убедителната й работа и постиженията на други учени постепенно започнаха да убеждават астрономическата общност, че проблемът за липсващата маса действително съществува. През 1978 г. Рубин и колегите й проучиха данните от единадесет спираловидни галактики. Всички те се въртят прекалено бързо, за да се запазят заедно според законите на Нютон. През същата година холандският радиоастроном Албер Босма публикува най-пълния за времето си анализ на десетки спираловидни галактики. Почти при всички тях се наблюдава същото явление. Това като че ли окончателно убеди астрономическата общност в съществуването на тъмната материя.

Най-простото решение на този сериозен проблем е да се приеме, че галактиките са заобиколени от невидимо хало (цветен ореол), съдържащо десет пъти повече материя, отколкото звездите. Оттогава насам бяха разработени по-съвършени средства за отчитане на количеството тъмна материя. Един от най-впечатляващите начини е да се измери изкривяването на звездната светлина при преминаването й през нея. Подобно на лещите на очилата, тъмната материя може да отклонява светлината (заради огромната си маса и гравитацията). Неотдавна задълбоченият компютърен анализ на фотографиите от „Хъбъл“ даде възможност на учените да съставят карти на разпределението на тъмната материя във вселената.

Правят се усилени опити да се разбере от какво е съставена тъмната материя. Според някои учени тя представлява обикновена материя с тази особеност, че излъчва много малко светлина (т.е., съставена е от кафяви джуджета, неутронни звезди, черни дупки и т.н., които са почти невидими). Подобни обекти се означават като „барионична материя“ — т.е., материя, съставена от познати бариони (като протоните и неутроните) и всички те носят общото название MACHO (съкращение от Massive Compact Halo Objects — масивни компактни хало-тела).

Други смятат, че тъмната материя може да се състои от изключително гореща не-барионична материя като неутроните (наречена гореща тъмна материя). Неутроните обаче се движат толкова бързо, че не могат да съставляват по-голямата част от струпванията на тъмна материя и галактики, както ги виждаме. Трети пък бързат да заявят, че тъмната материя представлява напълно нов тип материя, наречена „студена тъмна материя“ или WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles — слабо взаимодействащи масивни частици), които са основен кандидат за обясняването на тъмната материя.

Сателитът COBE

Само с помощта на обикновен телескоп — основният черноработник на астрономията от времето на Галилей — учените не могат да разрешат загадката на тъмната материя. Астрономията се развива дотолкова, доколкото може да й позволи стандартната, намираща се на Земята оптика. През 90-те години обаче се появи ново поколение апарати, използващи последните постижения на технологиите — сателити, лазери и компютри, които напълно промениха облика на космологията.

Един от първите плодове на тези новости бе сателитът COBE, изведен в орбита през ноември 1989 г. Докато работата на Пензиас и Уилсън потвърди само част от подкрепящите теорията за Големия взрив данни, COBE изнамери много повече основни данни, които съответстваха на предположението на Гамов и колегите му от 1948 г. за наличието на лъчение на черното тяло.

През 1990 г. на среща на Американското астрономическо общество всички 1500 участници изпълниха залата с овации, когато видяха резултатите от COBE на графиката, показваща почти пълно съвпадение с микровълновото фоново лъчение с температура 2,728°K.

„Когато в скалите били открити фосили, те категорично доказали теорията за възникването на видовете. COBE откри фосилите [на вселената]“^[24], отбеляза астрономът Джеремая П. Острикер от Принстън.

Изображенията от COBE обаче бяха доста неясни. Например учените искаха да анализират „горещите петна“ или флуктуациите във фоновото лъчение, които би трябвало да заемат около един градус от небето. Уредите на COBE обаче можеха да доловят единствено флуктуации с размер над 7 градуса и не бяха достатъчно чувствителни, за да са в състояние да регистрират по-малките. Учените бяха принудени да чакат резултатите от WMAP, който трябваше да бъде изведен в орбита след края на века, за да може най-сетне да даде отговор на редица важни въпроси и загадки.