Шум в антенне оказался светом рождения Вселенной. И голуби ни при чём

Шипение в наушниках или снег на экране старого телевизора — обычная помеха, которую хочется поскорее выключить. В 1964 году двое радиоинженеров в Нью-Джерси почти год пытались избавиться от такого шума и не смогли. Он шёл отовсюду, днём и ночью, из любой точки неба. Это оказался самый древний свет во Вселенной, и он закрыл спор о том, было ли у мира начало.

Вселенная считалась вечной и неподвижной

Ещё в начале XX века почти никто не сомневался, что космос существовал всегда. Даже Эйнштейн в 1917 году добавил в свои уравнения особую поправку, космологическую постоянную, чтобы Вселенная в них стояла на месте. Александр Фридман в 1922-м, а следом Жорж Леметр показали, что те же уравнения допускают мир, который расширяется. В 1929 году Эдвин Хаббл увидел, что далёкие галактики действительно разбегаются от нас.

Но расширение можно было толковать двумя способами. Фред Хойл, Герман Бонди и Томас Голд в 1948 году предложили теорию стационарной Вселенной: она растёт вечно, а новое вещество понемногу рождается в пустоте. В 1949 году Хойл в радиопередаче насмешливо назвал теорию конкурентов «Большим взрывом». Ирония не сработала, и имя прижилось.

Конкуренты, Георгий Гамов с Ральфом Алфером и Робертом Херманом, сделали смелое предсказание. Если мир родился горячим, от того времени должно было остаться слабое свечение, остывшее до нескольких градусов выше абсолютного нуля. Предсказание напечатали и забыли. Искать это свечение никто не стал, а нашли его люди, которые ничего подобного не искали.

Лучшая антенна Америки слышала лишний шум

Арно Пензиас и Роберт Уилсон работали в Bell Labs, исследовательском центре телефонной компании. В их распоряжении была рупорная антенна в Холмделе, построенная для связи через первые спутники. Огромный металлический раструб с шестиметровым зевом был одним из самых тихих приёмников на планете, и учёные решили использовать его для радиоастрономии.

Антенна упорно выдавала лишний шум, эквивалентный примерно трём с половиной градусам Кельвина. Он не зависел ни от направления, ни от времени суток, ни от сезона. Подозрение пало на голубей, которые свили гнездо внутри рупора и покрыли его, по деликатному выражению Пензиаса, «белым диэлектрическим материалом». Птиц выдворили, металл отчистили. Шум остался.

Тогда помеха перестала выглядеть поломкой. Получалось, что звучит само небо, причём одинаково во все стороны.

Шум оказался светом, который летит 13,8 миллиарда лет

В шестидесяти километрах от Холмдела, в Принстоне, группа Роберта Дикке как раз собирала прибор, чтобы поймать остаточное свечение горячей Вселенной. Узнав о результатах Bell Labs, принстонцы поняли, что их опередили. В 1965 году вышли две статьи: одна описывала измерение, другая объясняла его. Через 13 лет Пензиас и Уилсон получили Нобелевскую премию.

Картина вышла такая. В первые минуты Вселенная была раскалённой плотной плазмой, где рождались ядра гелия. Свет не мог лететь сквозь неё свободно: он бился о свободные электроны, как луч фары в густом тумане. Примерно через 380 тысяч лет мир остыл до трёх тысяч градусов, электроны соединились с ядрами в атомы, и туман рассеялся. Свет, рождённый в огне первых мгновений, полетел свободно.

С тех пор пространство растянулось примерно в 1100 раз, и волны растянулись вместе с ним. Оранжевое сияние превратилось в холодные микроволны при 2,7 кельвина. Самое удивительное в том, что этот свет видели миллионы людей: порядка процента «снега» на экране аналогового телевизора, настроенного между каналами, приходило из той эпохи. Если это эхо рождения, в нём должны были сохраниться и черты новорождённого мира.

Неровности в одну стотысячную стали чертежом галактик

В 1989 году на орбиту вышел спутник COBE. Он показал, что спектр реликтового излучения совпадает с идеальным тепловым свечением точнее, чем почти любое измерение в физике. Он же нашёл в нём крошечную рябь: одни участки неба теплее других примерно на одну стотысячную. Джон Мазер и Джордж Смут получили за это Нобелевскую премию 2006 года.

Эта рябь — следы чуть более плотных сгустков вещества. Гравитация миллиарды лет стягивала их, и из них выросли галактики, звёзды и мы. Спутники WMAP и «Планк» нанесли рябь на подробные карты и вычислили возраст Вселенной, 13,8 миллиарда лет, а заодно её состав: обычное вещество составляет лишь около пяти процентов, остальное приходится на тёмную материю и тёмную энергию.

Чтобы прочитать эти карты, нужно вычесть свечение нашей Галактики и шумы приборов. Здесь сегодня работают и алгоритмы машинного обучения. Отделять слабый сигнал от мощного фона приходится всем: и космологам, и сотовой связи, и специалистам, которые выполняют расшифровку аудиозаписей с тихой речью на шумном фоне.

Читайте также: Под наркозом мозг предугадывает слова. Сознание при этом молчит

Чего реликт пока не рассказал

Большой взрыв не был взрывом в точке. Расширялось само пространство, сразу везде, поэтому реликтовый свет и приходит со всех сторон. Что было раньше первых долей секунды, неизвестно. Популярная гипотеза инфляции, сверхбыстрого раннего раздувания, предсказывает особый узор в поляризации реликта. В 2014 году его объявили найденным, но сигнал оказался галактической пылью. Поиски продолжаются.

В каждом кубическом сантиметре вокруг вас летает около четырёхсот частиц реликтового света, ровесников самого времени. Они пронизывают вашу комнату, ладонь, страницу, которую вы читаете. Начало мира не осталось в прошлом. Оно до сих пор слабо светится вокруг нас, просто на волнах, которые глаз не видит. Другие истории о великих идеях ищите в разделе статей.

Ещё в «Высоких технологиях»

Невидимка с массой 2,8 Солнца не вписалась ни в одну модель гибели звёздГлаз и мозг собраны без чертежа. Улики этого спрятаны в нас самихДанные можно гонять по чипу без тока. Помогла замена одного атома

Все материалы раздела →