Теорията, чийто път е осеян с Нобелови награди

Нобеловата награда за физика за 2006та година беше присъдена от шведската Кралска академия на науките на Джон Мадър, старши астрофизик в НАСА, и Джордж Смуут, професор по физика в Калифорнийския Университет в Бъркли. Двамата американци ще получат наградата за установяване спектъра на фоновото космическо микровълново излъчване и установяването на анизотропия в неговата температура.

По този начин академията отбелязва значимостта на проекта COBE (COsmic Background Explorer) и отличава ролята на Мадър и Смуут за осъществяването му. Смята се, че осигурявайки неоспорими доказателства за съществуването на Големия взрив, COBE поставя началото на космологията като точна наука, изваждайки я от сферата на философските теории.

Вселената в началото

В началото и средата на миналия век, в борба за надмощие са участвали две теории за началото на Вселената – Теорията за Трайното Състояние на Вселената (ТТСВ) (The Steady State Univesre) и нейната контра-теория, която по-късно иронично бива наречена от противниците си Теорията за Големия Взрив.

Макар и често пъти наричана статичен модел, ТТСВ всъщност не отрича способността на Вселената да се разширява. Според нея, обаче, в своите рамки тя не се променя, тъй като с течение на времето в различни точки от пространството се образува нова материя, която подържа плътността й постоянна във времето. ТТСВ постановява още, че Вселената е съществуваща безкрайно система, която няма начало и край.

Според нея, веднага след своето експлозивно начало, Вселената е била изпълнена с особено интензивно лъчение, произлизащо от силно нагорещеното първоначално състояние. Спектърът на едно такова лъчение, свързано с невероятно високи температури, се характеризира с присъствието на всички дължини на вълните – говорим за спектър на излъчване на абсолютно черно тяло.

Поддръжниците на теорията за Големия взрив смятат, че първоначалното излъчване e генерирано от хаотичната маса, нагрята до около 3000 градуса, която е поставила началото на Вселената. С нейното разширяване температурата на излъчването е намаляла значително и съгласно изчисленията, фоновото лъчение в момента би трябвало да е с температура около 2,7 градуса над абсолютната нула (-273.15 °C).

Идеята за излъчване, покриващо целия вълнов спектър, идва от един друг нобелов лауреат, Макс Планк, който успява да пресъздаде подобен спектър в лабораторни условия. Нашето Слънце има излъчване със сходен, макар и не толкова идеален спектър на абсолютно черно тяло.

Наличието на такова, ниско-интензивно фоново микровълново излъчване, реликт от времето на взрива е предсказано още в началото на 40те години на миналия век.

Проектът COBE

След случайното откриване на фоновото микровълново лъчение от Арно Пензиас и Робърт Уудроу Усилсън, през 1965та година, изучаването му започва да става повече от наложително. Проблемът, с който се сблъскали учените при опита да получат повече подробности за „ехото” от Големия Взрив, е преодоляването на земната атмосфера. Едно възможно разрешение на проблема било изпращане на уред в Космоса – изстрелването на сонда в орбита около Земята би дало възможност на инструментите, необезпокоявани от атмосферата, да засекат микровълните на реликтовото излъчване и посоката, от която то идва.

Теорията за Големия Взрив води началото си от белгийския католически свещеник Георг Леметр, който разработва теоретическите основи, и Едуин Хъбъл, който захранва модела с данни от изследванията си над Червеното Изместване. Според нея Вселената преди да се превърне в това, което днес виждаме, е била, грубо казано, топка материя с изключително голяма плътност. В следствие на експлозията на това тяло, Вселената започва да се разширява, за да достигне сегашните си размери и състав на материята. С Едуин Хъбъл започва и поредицата Нобелови награди, с които е "наградена" Теорията за Големия Взрив.

Така се заражда идеята за проекта COBE, в основата на който стои именно Мадър. За първи път той представя на НАСА предложението си за изпращане на проба за засичане на фоновото излъчване през 1974 година. Изпълнението на проекта обаче се забавя чак до 18ти ноември 1989, поради финансови причини, а в последствие и поради замразяването на полетите на совалките, след нещастния случай с Чаланджър. Усилията на Мадър и близо 1000 души от неговия екип накрая се увенчават с успех. COBE е изстрелян в Космоса и само минути по-късно изпраща първите сигнали към Земята.

СОВЕ открива микровълновото фоново излъчване

COBE се справя успешно с главната си задача – успява да потвърди съществуването на фоновото излъчване, останало от Големият взрив. Нещо повече, анализът на данните показва, че спектърът му, аналогично на този на абсолютно черното тяло, включва всички дължини на вълните, а температурата му е 2,7 градуса над абсолютната нула. Първите данни по проекта са представени на научна конференция през януари следващата годна и съвпадението с предсказанията на теоретиците осигурява на екипа на проекта овациите на специалистите. Теорията на Големия взрив получава най-голямото си потвърждение.

През 1965 Арно Пензиас и Робърт Уудроу Уилсън от Телефонните Лаборатории на Бел построяват уред (радиометър), с който целят да провеждат радио-астрономически и комуникационни експерименти. При настройването на антената дълго време изследователите не могат да се отърват от досаден шум в уредите с определена температура (3 К) и честота в микровълновия спектър. С този досаден шум двамата учени си спечелват Нобеловата награда за физика през 1978 година. Част от „ехото ” на Големия Взрив се съдържа и в „досадния шум” между телевизионните програми.

Задачата на COBE обаче не се изчерпва само до засичане на лъчението и доказване на съществуването му. Част от екипа, начело със Смуут, има за цел да провери дали то идва равномерно от всички посоки. Теорията на Големия взрив предполага, че във фоновото излъчване има малки смущения – разлики в температурите (анизотропия), които са свързани с появата на Галактиките. Смята се, че тези малки смущения във фоновото излъчване отразяват местата в пространството, в които се е случило струпването на материя, формирането на звездите, галактиките, планетите и в крайна сметка на живота.

Малките, но значими отклонения

Анизотропията е свойството на материалните обекти да притежават различни стойности на дадена физическа характеристика в различните посоки. За дадената величина се казва, че е зависима от посоката. Електрическата проводимост при графита е пример за точно такава анизотропна величина. Проводимостта му е значително по-малка в посока, перпендикулярна на кристлните равнини

Преди началото на проекта COBE се предполагало, че температурната анизотропия на фоновото излъчване се проявява в много тесни граници, от порядъка на хилядна от градуса – разлики в температурните стойности, които са трудни за улавяне. Допълнителните теоретични разработки обаче подсказали, че засичането на отклоненията може да е дори още по-сложно, от колкото се смятало първоначално. Причина за това е намесата на тъмната материя, която сама по себе си стимулира агрегирането на материята и вероятно е спомогнала за образуването на галактиките. Учените пресметнали, че промените в температурата, необходими за създаването на галактиките вероятно са много по-малки – вече се говори за разлика от порядъка не на хилядни, а сто-хилядни от градуса. Задачата на екипа на COBE станала още по-тежка – необходимо било да се използува много по-чувствително оборудване. Въпреки всичко Смуут и колегите му се справили със задачата. Апаратурата успяла да улови разликите във фоновото излъчване.

Мисията успешна

Успехът на COBE и на учените, стоящи зад него, представяни от Мадър и Смуут е огромен за развитието на науката космология. През 1992 година известният английски физик Стивън Хокинг, смятан за един от най-великите умове на нашето време казва за медиите, че проектът е донесъл едни от най-великите открития на столетието и може би дори на всички времена. Какво е значението на резултатите? Освен, че потвърждават теорията за произхода на Вселената в резултат на Големия взрив, данните събрани от COBE ще бъдат особено ценни за бъдещите изследвания. Флуктуациите в температурите, отчетени от инструментите, ще спомогнат за изчисляване съотношението между видимата и тъмната материя във Вселената, както и за разпространението на тъмната енергия. Тъй като тъмната материя и съответно тъмната енергия са невидими за нас, ние можем да съдим за техните характеристики и разпространение единствено по индиректен път и с помощта на математически модели. Сега, данните донесени от COBE ще дадат възможност за първи път изчисленията и предсказанията на космолозите да бъдат сравнени с действителността. Учените се надяват и на нещо повече – че данните, получени в резултат на работата на Мадър и Смуут, ще им помогнат да разберат какво е станало в началото на създаването на Вселената, в моментите преди самото появяване на фоновото космическо излъчване.