Арно Пензиас
Биография
Американский астрофизик Арно Аллан Пензиас родился в Мюнхене (Германия) и был одним из двух сыновей Карла Пензиаса, польского гражданина, занимавшегося кожевенным делом, и его жены Инге (в девичестве Айзенрайх) Пензиас.
Еврейской семье П. удалось покинуть Германию накануне второй мировой войны. Весной 1939 г. Арно и его младшего брата отправили в Англию, вскоре туда выехал отец, а через несколько месяцев, уже в начале войны, и мать. Соединившись, семья покинула Англию в декабре 1939 г. и в начале 1940 г. прибыла в Нью-Йорк. Отец П. некоторое время работал на стройке в Бронксе, а затем получил работу в плотницкой мастерской Метрополитен-музея. Чтобы пополнить семейный доход, мать, взявшая имя Юстина, устроилась на работу в швейное ателье.
В 1947 г. П. поступил в Бруклинскую техническую школу, где, несмотря на интерес к электронике, сосредоточился на изучении химии. Спустя четыре года он продолжил обучение в бесплатном Сити-колледже в Нью-Йорке. В первый же год П. полностью посвятил себя физике, т. к. преподаватель убедил его, что эта специальность дала бы возможность зарабатывать на жизнь. В 1954 г. П. окончил колледж в числе лучших выпускников. Пройдя в колледже курс подготовки офицеров запаса, П. отслужил два года в войсках связи в Форт-Девенсе (штат Массачусетс). В конце 1956 г. он поступил в аспирантуру Колумбийского университета, где преподавали И.А. Раби, Поликарп Каш, Ли Цзундао и Чарлз X. Таунс. За два года до этого Таунс изготовил первый мазер – прибор, излучающий и усиливающий высокочастотные радиоволны. Под руководством Таунса П. собрал второй мазер, использовавшийся как усилитель в микроволновом приемнике, что стало частью его докторской диссертации, защищенной в Колумбийском университете Рассчитанный на длину волны 21 см, на которой испускает радиоволны водород, мазер, по мысли П., должен был помочь определить содержание водорода в ряде галактик. П. подключил мазер к антенне лаборатории морских исследований в Мэриленд-Пойнте (штат Мэриленд), однако полученный спектр не содержал линий водорода. Позже П. констатировал, что «оборудование оказалось точнее, чем наблюдения».
Не удовлетворенный полученным результатом, П. обратился к директору лаборатории радиоисследований, входящей в телефонную компанию «Белл», в Кроуфорд-Хилле (штат Нью-Джерси), Рудольфу Компфнеру за разрешением повторить эксперимент. Он предполагал использовать 20-футовую антенну с рефлектором в виде рупора, установленную в Холмделе (штат Нью-Джерси), для получения сигналов с неуправляемого спутника «Эхо», запуск которого ожидался в 1960 г. Вместо этого Компфнер предложил П. постоянную работу, на что последний дал согласие в 1961 г., год спустя он получил в Колумбийском университете степень доктора.
Первая работа П. в лабораториях компании «Белл» была связана с поиском пути увеличения точности антенны, находящейся в Эндовере (штат Мэн), которая использовалась для приема сигналов со спутника связи «Телстар». По ряду причин, в т.ч. из-за гравитационных и погодных условий, стальная антенна могла изгибаться. П. довольно быстро решил задачу, поместив внутри антенны второй приемник, нацеленный на известный источник излучения, например на остатки сверхновой (расширяющейся газовой оболочки, образовавшейся в результате взрыва звезды).
Имея возможность продолжать работы по спутниковой связи с рупорной антенной, П. предпочел им фундаментальные исследования по радиоастрономии, в результате которых надеялся выявить молекулу гидроксила (содержащую один атом водорода и один кислорода) в межзвездном пространстве. Однако, хотя П. добился в этом проекте положительных результатов, его опередила исследовательская группа Массачусетского технологического института, первой обнаружившая эту космическую молекулу.
В 1963 г., работая с Робертом В. Вильсоном, П. начал приспосабливать рупорную антенну для использования в радиоастрономии. Точная настройка и сверхвысокая чувствительность ее усилителя позволили ученым измерить интенсивность нескольких внеземных радиосточников. Более того, они сумели отфильтровать радиопомехи, наводимые местными источниками – поверхностью Земли, атмосферой и самой антенной. Это позволило измерять интенсивность фонового излучения любого участка неба вблизи источника, представляющего какой-либо интерес.
В 1964 г. ученые использовали свою систему для измерения радиосигналов Кассиопеи А, объекта, являющегося остатком сверхновой и представляющего собой самый мощный радиоисточник в созвездии Кассиопеи. Однако результаты измерений фона озадачили исследователей, т. к помехи оказались настолько сильными, что их нельзя было связать с известными источниками. Аномалии сохранялись и при повторных измерениях. П. и Вильсон осмотрели всю систему в поисках источника помех, закрыв клепаные соединения и очистив антенну от птичьего помета, однако это не оказало существенного влияния на результаты измерений.
Радиоволны, как и всякое электромагнитное излучение, обычно характеризуются длиной волны или частотой. Но одной из характеристик может служить и температура, т.к. все предметы излучают такие длины волн, которые определяются их температурой, причем чем выше температура, тем короче длина волны. Поскольку излучение предмета в какой-то степени зависит от цвета и строения поверхности, ученые принимают за эталон так называемое черное тело. Черное тело испускает целый спектр волн различной длины, но при каждом значении температуры имеется определенная длина волны, на которой интенсивность излучения максимальна. Излучают и холодные предметы, однако характерная для них длина волны настолько велика, что человеческий глаз это излучение не воспринимает. Глаз видит холодные предметы благодаря отраженному свету, в темноте же, где источники света отсутствуют, холодные предметы невидимы. Фоновое излучение, или радиопомехи, замеченное П. и Вильсоном, содержало настолько большие длины волн, что оно было значительно ниже того порога, который можно видеть. Оно соответствует длине волны, испускаемой черным телом при температуре 3,5° по шкале Кельвина, что едва превышает абсолютный нуль – температуру, при которой всякое тепловое движение прекращается.
Пока П. и Вильсон изучали непредвиденные фоновые радиоизлучения, теоретическая группа Принстонского университета под руководством Роберта Дикке разрабатывала космологическую модель расширяющейся и сокращающейся Вселенной. Если Вселенная возникла, как предположил Джордж Гамов, в результате так называемого «большого взрыва», то излучение от него, по мнению Дикке, может наблюдаться и через 18 млрд. лет охлаждения. Коллега Дикке П. Пиблз оценил современное фоновое излучение в 10°К (позже эта цифра была снижена до 3,5°К), о чем и сообщил на лекции в Университете Джонса Хопкинса.
Среди ученых, слушавших лекцию Пиблза, был и радиоастроном Массачусетского технологического института Бернард Берк. Во время телефонного разговора с Берком в 1965 г. П. упомянул о необъяснимых помехах, которые пришлось наблюдать ему и Вильсону Узнав от Берка о работах Пиблза, П. связался не только с ним, но и с Дикке и его коллегами в Принстоне, строившими антенну для измерения космического фонового излучения, предсказанного ими.
В результате этой встречи были изданы (одновременно) две статьи, одна принстонской группой – по космологической теории, другая П. и Вильсоном – об измерениях фонового излучения. Наблюдения продолжались несколько лет, причем излучение соответствовало распределению длин волн для температуры, предсказанной космологией «большого взрыва». (Гамов и его сотрудники сделали подобные предсказания еще в 1948 г., но ведущие радиоастрономы того времени не допускали возможности его экспериментальной проверки современными приборами.)
Затем П. и Вильсон предприняли новое исследование углеродного лазера (усилителя, производящего интенсивный монохроматический луч света), с помощью которого, как они надеялись, можно было бы передавать сигналы связи через земную атмосферу. Исследование закончилось неудачей. В конце 60-х гг. они вернулись к радиоастрономии. В сотрудничестве с физиком-атомщиком из компании «Белл» Кейтом Джеффертсом ими был построен приемник, способный детектировать излучение с длиной волны порядка миллиметра. В 1970 г. они присоединили свой приемник к вновь построенному в национальной радиоастрономической лаборатории в Китт-Пике (штат Аризона) 36-футовому радиотелескопу. Нацелив его в туманность Ориона, ученые увидели на дисплее спектральную линию (длина волны характерной эмиссии) окиси углерода. В результате последующих исследований были выявлены еще шесть межзвездных молекул. П. продолжает заниматься астрофизикой, прежде всего проблемой происхождения химических элементов.
В 1978 г. П. и Вильсон разделили половину Нобелевской премии по физике «за открытие космического микроволнового фонового излучения». Другая половина премии была присуждена Петру Капице. Представляя лауреатов, член Шведской королевской академии наук Ламке Хюльтен отметил «исключительную настойчивость и филигранное мастерство, которые привели (П. и Вильсона) к открытию, позволившему внедрить экспериментальные методы и прямое наблюдение в такую науку, как космология».
Лаборатории компании «Белл», признавая выдающиеся организационные способности П., доверили ему ряд управленческих постов: главы отделения радиофизических исследований в Кроуфорд-Хилле (1972), директора лаборатории радиоисследований (1976), вицепрезидента по исследовательской работе (1981). С 1972 г. П. является также членом ученого совета отделения астрофизических исследований в Принстонском университете.
П. получил гражданство США в 1946 г. и принял имя Аллан, под которым он был известен с момента прибытия в Америку. В настоящее время это его второе имя. В 1954 г. П. женился на Энн Перл Бэррес, работавшей юрисконсультом. Молодожены поселились в Хайленд-Парке (штат Нью-Джерси), у них родились сын и две дочери.
Член американской Национальной академии наук, Американской академии наук и искусств. Американского астрономического общества, П. являлся также членом совета попечителей Трентон-колледжа и астрономической консультативной комиссии Национального научного фонда. Среди полученных им наград – медаль Генри Дрейпера американской Национальной академии наук (1977), медаль Гершеля Лондонского королевского астрономического общества (1977). Ему присуждена почетная ученая степень Парижской обсерватории.
