Читать книгу "Гонка за Нобелем - Брайан Китинг"

Технические проблемы программы были существенны, а запуск советского спутника и вовсе свел ее на нет{15}. Американское правительство опасалось, что Соединенные Штаты могут проиграть не только космическую, но и телекоммуникационную гонку. Размещение передатчика в космосе позволяло решить многие из проблем, связанных с воздушными шарами. Поскольку передатчик мог усиливать радиоволны, сигналы, передаваемые им обратно на Землю, были намного сильнее. И находивший в космосе спутник становился видимым на принципиально бо́льших расстояниях. Ответом США Советскому Союзу стал первый активный спутник связи Telstar. Антенна Bell Labs с ее сверхчувствительной детекторной системой осталась не у дел, но, к счастью, ей нашли другое применение. Два радиоастронома, Арно Пензиас и Роберт Уилсон, быстро перековали телекоммуникационные мечи на космологические орала. Массивную рупорную антенну они приспособили под телескоп для астрономических наблюдений, который в скором времени нанес второй смертельный удар по стационарной космологической модели Хойла.

В поисках ничто и не там, где надо

Пензиас и Уилсон были радиоастрономами и специализировались на радио- и микроволновой части электромагнитного спектра — на электромагнитных волнах с длиной волны от 1 м до 1 мм, что соответствует частотам от 300 МГц до 300 ГГц. Во время обучения в Калтехе Уилсон посещал лекции по космологии самого Фреда Хойла в тот период, когда тот вместе с Вилли Фаулером занимался разработкой теории звездного нуклеосинтеза. Идеи Хойла и его модель стационарного состояния Вселенной произвели на Уилсона глубокое впечатление. Свой путь в историю два радиоастронома начали с простой цели: найти ничто. Но зачем искать ничто? Дело в том, что таким образом они могли откалибровать антенну, чтобы использовать ее как телескоп.

Если видимый свет отражается от каждой заряженной частицы и крупицы пыли, которая встречается у него на пути, то радиоволны перемещаются через межзвездное пространство почти беспрепятственно. Однако в 1964 году, всего через три десятилетия после того, как было открыто радиоволновое излучение Млечного Пути и положено начало новой науке — радиоастрономии, очень мало было известно о том, как «выглядит» наша Галактика на более высоких частотах, т. е. в микроволновом диапазоне излучения с длиной волн в 10–100 раз короче, чем у радиоволн.

Астрономов интересовало, зависит ли микроволновое излучение Млечного Пути от того, куда вы смотрите. Предполагалось, что если смотреть в направлении, далеком от дисковой части Галактики, в сторону так называемых «высоких галактических широт», то излучение меньше, подобно тому как звезды в зените видятся нам более четко, чем звезды у горизонта. Радиоастрономы также ожидали, что галактическое излучение на более высоких частотах (с более короткими длинами волн) должно быть намного слабее, чем на низких. Следовательно, если настроить радиотелескоп на высокие частоты и направить его на галактические полюса, он не должен уловить никаких волн.

Пензиас и Уилсон знали, что даже для наблюдения за самой спокойной точкой Галактики в направлении одного из ее полюсов и вдали от ее диска в первую очередь требуется откалибровать инструмент. Калибровка необходима во всех экспериментах, но особенно в астрономических, где физически невозможно добраться до источника сигнала. Чтобы откалибровать свой инструмент, астрономы направляют его на источник с известной величиной излучения и сравнивают показания измерений с этой величиной. Одна такая величина — это ноль, т. е. место, откуда не исходит никаких микроволн. Если задача «найти ничто» представляется вам сомнительным научным предприятием, отчасти вы правы: попробуйте получить финансирование под такой проект. Но когда вы смотрите в бездну, порой происходят удивительные вещи.

Как и Уильям Гершель, который рассчитывал найти несколько новых звезд, а вместо этого открыл планету Уран, Пензиас и Уилсон с их сверхчувствительным радиотелескопом поставили перед собой скромную цель: «Мы пытались убедиться в том, что нельзя измерить отсутствие излучения Млечного Пути, но вместо этого обнаружили излучение, исходящее, очевидно, из-за пределов Млечного Пути»{16}. Поначалу они восприняли это излучение как досадный радиошум.

Радиоастрономы измеряют интенсивность электромагнитных волн несколько странным способом, а именно с точки зрения того, насколько горячим, в градусах Кельвина, должен быть идеальный источник излучения — абсолютно черное тело, чтобы испускать обнаруженные ими сигналы. Таким образом, радиоастрономы говорят, что данный источник излучает столько-то кельвинов. Это также означает, что с помощью радиотелескопа можно дистанционно «измерять температуру» астрономических объектов с такой же точностью, как мы измеряем температуру более доступных земных объектов с помощью термометра.

В 1961 году, за три года до Пензиаса и Уилсона, инженер Bell Labs Эдвард Ом пытался откалибровать эту же антенну, но нашел ее слишком «шумной». Совершенных радиотелескопов не существует: любой инструмент генерирует некоторый шум, т. е. даже если направить его на объект с температурой абсолютный ноль, прибор покажет, что тот излучает какое-то тепло. Однако Ом счел, что телескоп слишком шумный, даже после того, как выявил и учел все возможные источники ошибки, так называемую «систематическую погрешность». Ом суммировал вклад всех известных ему источников помех, производивших избыточный сигнал, который показывали измерения: 22,2 кельвина с погрешностью в 2,2 кельвина{17}. (На первый взгляд это преобладание «2» кажется подозрительным, но для Ома дело было не в двойках.)

Модель Ома предполагала, что, если направить телескоп на самые темные участки неба, тот должен показать температуру около 19,1 кельвина. Именно этого он и ждал. Однако при измерениях она оказывалась почти на 3 кельвина больше расчетной величины — 22,2 кельвина. Ом списал этот избыток на неудачу и отмахнулся от не устраивавших его данных. При этом он допустил непростительную при анализе данных ошибку — склонность к подтверждению своей точки зрения. Вместо того чтобы предположить, что сигнал реален, и попытаться докопаться до его причины, он откинул его, исходя из своих представлений о том, каким этот сигнал должен быть. На самом деле ложноотрицательный результат хуже ложноположительного: если не говорить о шоке при страшном известии, то, как вы думаете, что лучше — чтобы ваш доктор не смог диагностировать у вас рак, который есть, или чтобы он сказал, что у вас рак, тогда как вы не больны?

В своей статье Ом делал ложноотрицательный вывод: нет необходимости учитывать фоновое тепловое излучение, предсказанное в расчетах Альфера и Германа. Всякий раз, когда я думаю об этом, у меня возникает острое желание схватить Ома за его узкий черный галстук по моде 1960-х и спросить: «Как ты мог, Эдвард?» Это противоречит всему тому, чему учат студентов-практикантов в научных лабораториях: нельзя относиться к данным избирательно, отбрасывая те, которые вам не нравятся. Впрочем, Ом и без того понес суровое наказание, собственноручно лишив себя Нобелевской премии.