Одним из значительных факторов потери важной идеи был общий интеллектуальный климат эпохи. Мысль об исходном взрыве, приводящем к возникновению расширяющейся Вселенной, еще просто не воспринималась в качестве серьезного научного утверждения, а к космологии вообще многие относились скептически. Это отношение объяснялось тем, что космология (в отличие от других разделов физики) не позволяла осуществлять контролируемые эксперименты, а все измерения в космических масштабах страдали от непредсказуемых ошибок. Поэтому космология не казалась научной общественности традиционной наукой. Интеллектуальное пространство космологии довольно быстро стало изменяться, причем именно случайное обнаружение реликтового излучения сильно ускорило этот процесс. И наконец, нам следует помнить, что любой идее (особенно радикальной) для созревания требуется какое-то время, чтобы сложились благоприятные условия, после чего она может быть легче воспринята научной общественностью, если данная идея верна{10}.
Как будет рассказано ниже, это выдающееся открытие, значительно расширившее наши знания о ранней Вселенной, смогло осуществиться только благодаря счастливой случайности, причем связанной с совершенно иной областью науки. У физиков есть шутливая поговорка о том, что шум, издаваемый одним человеком, представляет собой сигнал для другого. Смысл фразы в том, что какой-то нюанс в ответе на научный вопрос может оказаться исключительно важным и неожиданным ответом на совершенно другой вопрос. В нашем случае это буквально соответствует ходу событий, поскольку первое зарегистрированное измерение реликтового излучения было сделано двумя физиками, которые вообще не занимались этой проблемой.
В 1964 г. два талантливых физика, Арно Пензиас и Роберт Вильсон, занимались настройкой рупорной антенны в местечке Крофорд-Хилл (Холмдел, штат Нью-Джерси). Физик-экспериментатор Пензиас закончил докторантуру в Колумбийском университете и уже три года работал в Bell Labs — амбициозный и проницательный ученый, легко схватывающий общую картину любой проблемы, с которой ему приходилось сталкиваться. Вильсону было 27 лет, он только что получил докторскую степень в Калтехе по теории стационарного состояния и только что присоединился к Bell Labs. Этот старательный, аккуратный, вдохновляющий и внимательный человек, с репутацией классного специалиста по аппаратуре, тщательно следил за детальным ходом исследований. В работе над докторской диссертацией Вильсон занимался картографированием Млечного Пути, используя радиоизлучение на длинных волнах. Он слабо представлял себе, с чем ему придется столкнуться при составлении полной карты космоса.
Пензиас и Вильсон использовали антенну в Крофорд-Хилл в качестве телескопа, изучая на небе источники излучения не в оптическом диапазоне, а в области радиоволн. Радиочастотное излучение представляет собой часть всего спектра электромагнитных волн (куда входит и область видимого света) с длинами волн от нескольких миллиметров до примерно десяти метров. Такие волны могут проникать в земную атмосферу и распространяться в ней без отражения и затухания. Радиоволны были открыты Генрихом Герцем еще в 1887 г., а в 1930-х гг. Карлу Янски удалось первым зарегистрировать радиоизлучение, приходящее из центра нашей Галактики при помощи длинной антенны, построенной им в Холмделе (штат Нью-Джерси). Астрономическое научное сообщество до этого пользовалось лишь оптической аппаратурой — линзами и спектрографом — и поэтому не оценило сразу новое окно во Вселенную. Однако после Второй мировой войны, когда был изобретен радар (слово «радар» представляет собой акроним английского выражения radio detection and ranging — «радиообнаружение и измерение дальности»), большое число физиков и инженеров, которые разрабатывали оборудование и обучали им пользоваться, увидели возможности нового инструмента для исследований в астрономии. Это подогрело интерес к поиску большего числа космических радиоисточников.
Телескоп в Крофорд-Хилл, на котором работали Пензиас и Вильсон, имел очень чувствительный приемник радиосигналов (соединенный через усилитель) с коммуникационной системой Echo, созданной фирмой Bell Labs в 1960 г. Система принимала сигналы, отраженные от двух больших металлических шаров, поднятых в верхние слои атмосферы, и позволяла передавать эти сигналы на большие расстояния. Ко времени, когда Пензиас и Вильсон приступили к своим измерениям, систему перестали применять по прямому назначению, так как коммуникации осуществлялись посредством спутников, а антенны радиотелескопа использовались для улавливания особо слабых сигналов, приходящих от потенциальных космических источников. Телескоп в Крофорде был настроен на частоту 4,989 МГц, что было очень удобно для измерений в микроволновом диапазоне. Для того чтобы найти и выделить предельно слабые радиосигналы, ожидаемые от еще не обнаруженных астрономических объектов на таких частотах, Пензиас и Вильсон должны были прежде всего исключить все возможные источники помех, которые могли мешать их регистрации.
Несмотря на все усилия, Пензиасу и Вильсону никак не удавалось идентифицировать и изолировать фоновые шумы, постоянно возникающие и регистрируемые их чувствительной аппаратурой. В качестве источника помех сигналов они рассматривали и изучали излучение Земли, колебания молекул в верхних слоях атмосферы, влияние работы элементов установки и даже помет двух голубей, свивших гнездо на антенне. Помехи продолжали возникать независимо от сезона и направленности антенны, что ставило исследователей в тупик. Они никак не могли выяснить причину шумов и, следовательно, не могли ничего предпринять для их устранения. Однородный в пространстве и по времени шум казался равномерно распределенным по небосводу и не имел выделенной направленности. Температурный эквивалент этого слабого радиоизлучения составлял примерно 3 °К.
Вернувшись с астрофизической конференции в декабре 1964 г., Пензиас обсудил проблему этого постоянного шумового излучения с коллегой-радиоастрономом Бернардом Берком, который показал ему статью молодого теоретика Джеймса Пиблса{11}, работавшего в Принстоне под руководством Роберта Дикке. Родившийся в 1916 г., Дикке считался авторитетным и многосторонним исследователем, причем пользовался мировой известностью и как экспериментатор, и как теоретик, заслужив эту репутацию в годы войны, когда работал в Радиационной лаборатории MIT. Он был энергичным и красноречивым человеком, с одинаковым успехом умевшим проектировать и создавать электронные схемы и решать сложные математические уравнения. Кстати, ему почти удалось создать лазер. В 1958 г. Чарльз Таунс и его сводный брат Артур Шавлов подали патентную заявку на изобретение мазера (слово «мазер» возникло из акронима «microwave amplification by stimulated radiation», что означает «усиление микроволн стимулированным излучением»). В этой связи можно напомнить, что двумя годами раньше, в 1956 г., Дикке получил патент на очень похожее устройство, которое, однако, работало в другом диапазоне волн (инфракрасный лазер). Предложенное Таунсом и Шавловым устройство могло действовать в значительно более широком диапазоне волн, в отличие от прибора Дикке, который был ограничен инфракрасным диапазоном. Таким образом, несмотря на полученный патент в 1958 г., большая часть славы изобретения лазера не досталась Дикке. Причем этот случай не единственный в его биографии, когда он оказывался очень близко к великому открытию.
