Роберт Вильсон

Биография

Американский радиоастроном Роберт Вудро Вильсон родился в Хьюстоне (штат Техас); он единственный сын и старший из трех детей Ральфа Вильсона, инженера-химика, сотрудника нефтяной компании, и Фанни Мэй Вильсон (в девичестве Уиллис). Мальчиком В. часто сопровождал своего отца, когда тот отправлялся к нефтяным вышкам, и «слонялся среди механизмов, всякой электроники и автоагрегатов». Благодаря этому у него выработался устойчивый, сохранившийся на всю жизнь интерес к электронике. Еще школьником он зарабатывал себе карманные деньги, ремонтируя радио- и телеприемники.

В 1953 г. В. поступил в Райсский университет, альма-матер своего отца. Найдя на первом курсе учебный план по радиоэлектронике «не слишком передовым», он переключил основное внимание на физику. Закончив с отличием университет в 1957 г., он проработал лето в компании «Экссон» и получил свой первый патент на изобретение высоковольтного генератора импульсов – прибора, характеризовавшего процесс бурения.

Осенью 1957 г. В. начал аспирантскую работу в Калифорнийском технологическом институте (Калтехе). На первом году аспирантуры его познакомили с Джоном Болтоном, австралийским радиоастрономом, который приехал в Калтех, чтобы построить интерферометр (два радиотелескопа, соединенные между собой электронными устройствами, в результате чего они становятся равносильными гораздо большему телескопу) в университетской радиообсерватории, расположенной в Оуэнс-Вэлли, в 200 милях к северу от Лос-Анджелеса. В. делал свою докторскую диссертацию под руководством Болтона, составляя карту вариаций излучения, идущего из Млечного пути, с длиной волны в 31 см. Докторскую диссертацию он защитил в 1962 г. Затем он провел, как положено, постдокторский год в Калтехе, а потом поступил в лабораторию телефонной компании «Белл», а конкретнее – в Исследовательскую радиолабораторию в Кроуфорд-Хилл (штат Нью-Джерси). Здесь он работал в содружестве с Арно А. Пензиасом.

В 1960 г. ученые компании «Белл» построили 20-футовую отражательную антенну в Холмделе (штат Нью-Джерси), чтобы принимать сигналы со спутника «Эхо». Когда к 1963 г. антенна выполнила отведенную ей роль, Пензиас и В. переделали ее в радиоастрономический телескоп. Ее точная калибровка и крайняя чувствительность были идеальны для измерения интенсивности внеземных радиоисточников. В. и Пензиас могли также распознавать и удалять из своих измерений радиошумы, возникающие от локальных источников, таких, как грунт, земная атмосфера и сама антенна. Это умение позволило им сделать абсолютные измерения интенсивности фонового излучения от областей неба вблизи интересующего их источника. Контрольный источник, построенный Пензиасом, охлаждался с помощью жидкого гелия, чтобы минимизировать тепловое излучение и тем самым получить точно известную величину слабого шума. В. изобрел переключатель, чтобы связывать телескопный усилитель попеременно с антенной и контрольным источником, дабы сравнивать контрольный шум с шумами, полученными из космоса.

В 1964 г., работая впервые со своей системой, Пензиас и В. измерили сигналы от Кассиопеи-А, ярчайшего радиоисточника в созвездии Кассиопеи. Кас-А, как ее обычно называют между собой специалисты, является сверхновым образованием, расширяющейся газовой оболочкой, образовавшейся при взрыве звезды. Два исследователя, к своему удивлению, обнаружили, что уровень фонового шума превышает ожидаемую величину. Когда этот озадачивающий результат повторился и при дальнейших измерениях, Пензиас и В. внимательно проверили систему антенны и другие источники шума и сделали необходимые измерения, пытаясь устранить погрешности. Однако, что бы они ни делали, им не удавалось существенно снизить аномально большой шум.

Излучение обычно характеризуется длиной волны или связанной с ней частотой. Но поскольку все объекты излучают электромагнитную энергию с длинами волн, которые становятся короче по мере нагревания объектов, длину волны можно также связать с температурой. Белый свет представляет собой смесь всех цветов вплоть до фиолетового, кратчайшей длины волны видимого спектра. Поскольку излучение зависит также от цвета и текстуры поверхности объекта, за точку отсчета берут стандартное черное тело. Хотя черное тело излучает целый спектр излучения, а не единственную длину волны, каждая температура характеризуется доминантной длиной волны, на которой излучение особенно интенсивно. Холодные тела также излучают, но длины волн у них слишком велики и не принадлежат к видимой части спектра.

Необъяснимое фоновое излучение, обнаруженное Пензиасом и В., шло на длинных (радио-)волнах, соответствующих излучению черного тела при температуре 3,5°К (градусов Кельвина). Абсолютный нуль, или 0°К, – это теоретическая температура, при которой прекращается всякое тепловое движение.

Неизвестная Пензиасу и В. группа теоретиков из Принстонского университета, возглавляемая Робертом Диком, рассматривала тогда же приложения космологической модели, согласно которой Вселенная попеременно расширяется и сжимается. Согласно этой модели. Вселенная в настоящий момент расширяется, но гравитационные силы могут со временем менять расширение на сжатие, и тогда Вселенная сожмется до невероятной плотности, в результате чего произойдет так называемый «большой взрыв», гипотетический коллапс, в результате которого когда-то образовалась вся материя и все излучение во Вселенной. Дик выдвинул предположение, что излучение от крайне раскаленного, высококонденсированного раннего состояния Вселенной после примерно 18 млрд. лет охлаждения можно наблюдать еще и сегодня. Коллега Дика П.Дж. Пиблс подсчитал, что на сегодняшний день эквивалент реликтового излучения равен 10ºК (позднее дано уточненное значение около 3°К), и этот результат он сообщил устно в Университете Джонса Хопкинса. Джордж (Георгий) Гамов, создатель теории «большого взрыва», сделал ранее аналогичное предположение.

В 1965 г. Пензиас получил копию сообщения Пиблса и узнал, что Питер Ролл и Дэвид Т. Уилкинсон, члены группы Дика, строят антенну, чтобы измерить предсказанное космическое реликтовое излучение. Он встретился с принстонской группой, и в результате два исследовательских коллектива согласились работать сообща над одновременной публикацией двух статей в журнале «Астрофизикл джорнэл» ("Astrophysical Journal"). Принстонская группа должна была опубликовать статью по космологической теории, а Пензиас и В. – по обнаруженному ими фоновому излучению. Дополнительные измерения, проделанные в течение нескольких следующих лет, показали, что это излучение обладает тем самым распределением длин волн, которое было предсказано группой Дика для черного тела при вычисленной температуре.

Затем В. и Пензиас обратились к исследованиям совсем другого рода. Их заинтересовала возможность использования лазера на углекислом газе (прибор, усиливающий свет и генерирующий интенсивный монохроматический луч), чтобы пробиться сквозь туман. Они надеялись добиться полезных результатов в области коммуникации, но их усилия оказались бесплодными. В. также построил прибор, который измерял яркость Солнца на длинах волн в 1 и 2 см, на которых излучение светила относительно постоянно. Прохождение этих длин волн сквозь земную атмосферу представляло интерес, поскольку их предлагалось использовать для будущей спутниковой связи.

В. вернулся к радиоастрономии в конце 60-х гг. Работая вместе с Пензиасом и физиком-атомщиком из лабораторий компании «Белл» Кейтом Джеффертсом, он создал приемник, способный обнаружить излучение с длиной волны порядка миллиметров. В 1970 г. они соединили свой приемник со вновь построенным 36-футовым радиотелескопом на участке, принадлежащем Национальной радиоастрономической обсерватории в Китт-Пике (штат Аризона). Когда телескоп был нацелен на туманность Ориона, то на дисплее приемника немедленно появилась спектральная линия (характерное излучение) окиси углерода. В. со своими коллегами позднее обнаружил шесть других межзвездных молекул. В 1972 г. лаборатории компании «Белл» решили строить аппаратуру с миллиметровой длиной волны в Кроуфорд-Хилле. В дополнение к руководству разработкой и строительством антенны на В. была возложена ответственность за сохранность оборудования и подготовку его к радиоастрономическим исследованиям. В 1976 г. он был назначен главой радиофизического исследовательского отдела в лабораториях компании «Белл». Два года спустя он стал адъюнкт-профессором Университета штата Нью-Йорк.

В. и Пензиас разделили между собой половину Нобелевской премии по физике за 1978 г. «за открытие микроволнового реликтового излучения». Другую половину премии получил Петр Капица. В Нобелевской лекции В. сказал: «Космическое микроволновое реликтовое излучение, если рассматривать его как остаточное явление, возникшее после «большого взрыва», который произошел при возникновении Вселенной, является одним из самых мощных вспомогательных средств для определения строения и динамики Вселенной».

После того как он получил Нобелевскую премию, В. остался работать на установке в Холмделе, где он исследовал темные газовые облака в Млечном пути. В процессе работы он обнаружил, что «в таких облаках сосредоточены значительные порции газа в нашей собственной галактике и именно из таких облаков рождаются новые звезды».

В 1958 г. В. женился на Элизабет Роде Соуин, тоже из Хьюстона; у них двое сыновей и дочь. В. и его семья любят кататься зимой на лыжах и коньках; он также в свободные часы играет на пианино.

Кроме Нобелевской премии, В. и Пензиас разделили медаль Генри Дрейпера американской Национальной академии наук (1977) и медаль Гершеля Лондонского королевского астрономического общества (1977). В. является членом Американского астрономического общества, Международного астрономического союза, Американского физического общества, Международного союза радионаук и Американской академии наук и искусств.