Торік Нобелівську премію з фізики дали за прикладні дослідження: оптичну пастку, лазерний скальпель і петаватний лазер, найпотужніший з усіх створених. Преміювали елегантну технічну реалізацію фундаментальних законів квантової фізики. Цього року Нобелівський комітет відігрався — преміював науковців за суто фундаментальні дослідження, які навряд чи матимуть практичний сенс. Зате завдяки ним ми більше дізналися про розвиток Всесвіту і місце Землі в ньому.
Теорії розвитку Всесвіту тали з’являтися ще в середині 1910-х, коли Альберт Айнштайн вивів рівняння загальної теорії відносності — найкращої із сучасних теорій гравітації. Рівняння показували зв’язок кривизни простору-часу з масою, і Айнштайн застосував їх до опису Всесвіту загалом. Проте результати не задовольнили науковця. Згідно з ними Всесвіт мав або розширюватися, або стискатися. Тому він «підправив» рівняння — додав до них космологічний член, по-суті, антигравітацію. У такому разі все збігалося з уявленнями самого Айнштайна про сталий, незмінний Все світ. Трохи згодом за проблему взявся Алєксандр Фрідман, математик, який працював метеорологом у Ленінграді. Згідно з його висновками Всесвіт таки мав розширюватися — навіть із космологічним членом у рівняннях. І «сталий» розв’язок Айнштайна — це лише окремий випадок, що міг би реалізуватися через малоймовірне поєднання фізичних констант. Айнштайн читав роботу Фрідмана, але особливого значення їй не надав. Фрідман написав кілька статей із космології, але 1925 року помер від тифу.
Незалежно від нього тих самих висновків дійшов бельгійський священик Жорж Леметр, а 1929 року Едвін Габбл, спостерігаючи за галактиками, довів правильність теорії Фрідмана — Леметра. Він розраховував відстані до галактик за світимістю яскравих зір — цефеїд. Довжини хвиль світла, що надходили від цефеїд, були зміщені в червоний бік спектра — зірки і галактики разом із ними віддалялися від Землі. Червоне зміщення описується законом Допплера для поширення хвиль. Якщо, наприклад, жовта зірка швидко віддаляється від нас, її світло буде червоним. Що далі від нас зірка, то більша швидкість віддалення — закон Габбла. Отже, Всесвіт розширюється, і навіть Айнштайн врешті-решт із цим погодився, то що далі? Який вигляд він мав у далекому минулому, коли галактики були ближче?
Читайте також: Фабрики сенсацій
Відповідь на це питання спробував дати в 1940-х Георгій Гамов. Уродженець Одеси, він покинув тамтешній університет через низький рівень викладання і переїхав до Ленінграда, де захопився теоріями Алєксандра Фрідмана. У 1934-му, зважаючи на репресії проти науковців, Гамов відмовився повертатися до СРСР після конференції в Брюсселі й оселився в Америці. Після еміграції відомого науковця радянська влада зробила залізну завісу щільнішою, і в її тенета потрапило чимало видатних вчених, як-от Пьотр Капіца (див. «Перша наукова столиця», Тиждень, № 16/2019). У знаменитій αβγ-статті Гамов виклав свою теорію первинного нуклеосинтезу — появи легких хімічних елементів, водню та гелію, у ранньому Всесвіті. Стаття названа за прізвищами авторів Ральфа Альфера, Ганса Бете та самого Гамова і вийшла друком 1 квітня 1948 року. Як до жарту до неї, власне, і ставилися — занадто революційною вона була. Американський астрофізик Фред Гойл, прихильник стаціонарного Всесвіту, іронізував, що коли взяти теорію Фрідмана — Леметра і розрахунки Гамова, то все нібито виникло з «великого вибуху». Так, із жарту ідейного супротивника теорія великого вибуху розпочала свій шлях.
Гамов вважав, що складні структури — атоми, а потім зірки і галактики — мали утворюватися лише після того, як щільність енергії — фотонів — зрівняється з густиною матерії. За його обрахунками, це мало статися за температури Всесвіту кілька тисяч градусів. Цю саму ідею в 1960-х розробляли американський фізик Роберт Дікке та його аспірант канадець Джим Піблз, нині професор Принстонського університету та цьогорічний нобеліат. Дікке, Піблз та їхні колеги Пітер Ролл і Девід Вілкінсон будували антену, радіометр задля перевірки своєї теорії — пошуку мікрохвильового реліктового випромінювання, що залишилося після раннього Всесвіту. Драматичність ситуації в тому, що лише за кілька кілометрів від них у лабораторії компанії Bell інженери Арно Пензіас і Роберт Вільсон намагалися дістатися до джерела шумів на їхній антені. У хід ішли екзотичні гіпотези, навіть що джерелом був пташиний послід на пристрої. Шум був постійним (на хвилях, які відповідали температурі –270 °С) та однорідним — він не залежав від напрямку антени. Так, спочатку самі того не розуміючи, Пензіас і Вільсон відкрили реліктове випромінювання, «вікно» у ранній Всесвіт, і заодно експериментально довели розрахунки Дікке та Піблза. Дізнавшись про роботу конкурентів, Дікке, за легендою, сказав колегам: «Хлопці, нас обскакали». Статті обох наукових груп з’явилися в травні 1965-го в одному випуску The Astrophysical Journal Letters. 1978-го Пензіас і Вільсон отримали Нобелівську премію з фізики, а черга самого Піблза дійшла цього року. Його вчитель Роберт Дікке не дочекався премії — помер у 1997-му.
Читайте також: Відлік ядерної ери
Реліктове випромінювання виникло через 380 тис. років після утворення Всесвіту, коли він став досить прозорим для того, щоб фотони не поглиналися речовиною. До того він був високотемпературною плазмою, з якої почали утворюватися хімічні елементи за температури близько 3000 К, у плазмі з’явилося багато вільного місця, щоб деякі фотони могли пройти крізь неї. Майже 14 млрд років це первинне світло подорожувало простором, що розширювався, і через ефект Допплера його хвилі подовжувалися, доки не дійшли довжини 1,9 мм, що відповідає температурі приблизно 3 К. Це і є температура сучасного Всесвіту.
Метод доплерівської спектроскопії
Окрім передбачення мікрохвильового реліктового фону Піблз здогадався, яким чином використати його задля отримання інформації про ранній Всесвіт. У статті 1965 року він висловив припущення, що наявність реліктового випромінювання є критичною для формування галактик. Хоча фон однорідний, у ньому існують температурні флуктуації — приблизно 0,01% середньої температури. Піблз побудував модель розподілення цих флуктуацій, яка підтвердилася тільки через десятиліття, коли у 1992-му телескоп COBE виміряв температуру реліктового фону з високою точністю. Розподілення галактик і пустот між ними у Всесвіті загалом відповідає картині мікрохвильового випромінювання, як це передбачив Піблз. Інший прорив науковця — гіпотеза холодної темної матерії та пояснення завдяки ній етапів в еволюції Всесвіту. До 1980-х панувала теорія, згідно з якою темна матерія складалася з нейтрино — легких частинок, що рухаються зі швидкістю світла. Піблз запропонував низькоенергетичні масивні частинки і пояснив, як завдяки ним Всесвіт міг стати таким, яким ми його бачимо (див. інтерв’ю з Дмитром Якубовським, Тиждень, № 36/2019).
Читайте також: Перша наукова столиця
Джеймсу Піблзу вручили премію за «сукупність робіт у поясненні еволюції Всесвіту». Вибір Нобелівського комітету можна зрозуміти: саме завдяки десятиліттям наукової праці Піблза сформувалося сучасне бачення теорії великого вибуху.
Яке ж місце посідає Земля в еволюції Всесвіту? Чи є ще планетні системи, окрім Сонячної? До 1995 року ці питання були спекулятивними. У 1992-му польський астроном Александр Вольщан відкрив планети біля нейтронної зірки PSR 127+12. Нейтронні зірки утворюються внаслідок вибуху наднових зірок. Власне, це маленькі, холодні, «мертві» зірки, надзвичайно щільні. 6 жовтня 1995 року Мішель Майор і Дідьє Квелоц із Женевського університету заявили про сенсаційне відкриття: вони знайшли планету поруч із зіркою сонячного типу Пегас 51. Газовий гігант, порівнянний із Юпітером, міститься лише за 8 млн км від зірки (від Землі до Сонця 150 млн км), обертається навколо неї за чотири земні дні й розпечений до температури понад 1000 °С. Доти вважалося, що масивні газові планети можуть утворюватися лише на великій відстані від зірок, і відкриття Майора та Квелоца змусило астрофізиків переглянути моделі еволюції планетних систем.
Метод допплерівської спектроскопії, що допоміг зробити відкриття, запропонував ще в 1952 році уродженець Харкова американський астрофізик Отто Струве. Зірка й планета обертаються довкола спільного центру мас, і тому для земного спостерігача зірка то трохи віддалятиметься, то трохи наближатиметься. Внаслідок цього її світло буде трохи зсунуте то в червоний, то у фіолетовий бік спектра. Ці коливання замалі: якби інопланетяни таким чином досліджували Сонячну систему, то внаслідок руху Юпітера їм довелося б вимірювати зміни у швидкості Сонця в 13 м/с протягом 12 років. Майор і Квелоц витратили багато років на побудову спектрографа, здатного відчувати такі мізерні зміни. Тим самим методом у 2016-му була відкрита планета Проксіма b поруч із найближчою до Сонця зіркою.
На 1 жовтня 2019 року підтверджено існування 4118 планет поза Сонячною системою, з них близько 20% — земного типу, на яких теоретично могло б існувати життя. Наразі найрезультативнішим є метод транзитної спектроскопії — вимірювання зміни блиску зірки внаслідок проходження повз неї планети. Найкращий із «мисливців за планетами» — телескоп Kepler — завдячує своїм існуванням саме відкриттю Майора та Квелоца: лише після відкриття Пегаса 51b керівникові проекту Вільяму Борукі дали зелене світло на побудову телескопа (див. «Вир світів», Тиждень, № 45/2018). Відкриття Майора й Квелоца та інших екзопланетологів засвідчило, що бодай теоретично в безодні космосу може існувати планета, схожа на Землю. І вже ця надія варта хоча б Нобелівської премії.