Астрономы из Серендипа.

В астрономии (да и не только) часто используют термин "серендипическое открытие". Что же означает слово "Серендип"?

Появилось оно в научном обиходе еще в 18 веке благодаря Хорасу Волполу (Horace Walpole 1717-1797), который в одном из своих писем 28 января 1754 года употребил это выражение для обозначения случайного счастливого неожиданного открытия. Связано слово с цейлонской сказкой "Три принца из Серендипа" (герои сказки как раз и совершали "серендипические открытия" во время своих странствий), а Серендип - древнее название Шри Ланки (Цейлона).

Какими бывают серендипические открытия не в сказке, а в жизни? Например, открытие Америки Колумбом - прекрасный пример серендипического открытия: искали Индию, а нашли Америку. Эпоха великих географических открытий вообще богата подобными (но более "мелкими") случаями. Или, к примеру, геология: часто ищут один тип полезных ископаемых, а находят совсем другой.

Один из проектов поиска разумной жизни во вселенной называется SERENDIP. Действительно, было бы настоящим чудом услышать братьев по разуму. Хотя на самом деле такое открытие не совсем серендипическое: все-таки проводится целенаправленный поиск. А такие открытия, как и открытия сделанные в "свободном полете", когда вообще ничего специально не ищут, лучше серендипическими не называть. Поэтому, например, считать серендипическими открытия Галилея вряд ли было бы удачно: от самых первых телескопических наблюдений можно было ожидать чего угодно.

Серендипические открытия часто называют случайными. Естественно, что в науке бывает много "случайных" открытий, т.е. нечто обнаруживается в результате поисков чего-то совсем иного. О трех таких открытиях в астрономии мы напомним в этой статье.

Первый принц: Уильям Гершель

Открытие 13 марта 1781 года Уильямом Гершелем (15.11.1738-25.8.1822) планеты Уран, первой (!) из невидимых невооруженным глазом, а потому неизвестной аж до конца 18 века, - прекрасный пример серендипического открытия в астрономии.

Мало кто думал, что должны существовать планеты Солнечной системы, кроме пятерки, видимой невооруженным глазом, и Земли. Да еще какие! Уран и Нептун оказались планетами-гигантами. Сам Гершель также не искал новые планеты и вряд ли думал об их существовании, но был одним из лучших наблюдателей своего времени, изготовившим лучшие телескопы своего времени, и проводившим скурпулезный обзор всего неба (и не один раз!). Так что любое его открытие трудно назвать просто "случайным".

Четыре полных обзора неба за несколько лет и около 2500 новых туманностей в каталоге! Немудрено, что в один прекрасный день в поле зрения попал Уран. Сам Гершель писал: "Сложилось мнение, будто счастливый случай привел Уран в поле зрения моего телескопа, но полагать так - явная ошибка ... Я постепенно штудировал великий труд Творца..."

Уран и его кольца

В процессе обзора неба Гершель обнаружил в созведии Близнецов очередное доселе неизвестное туманное пятнышко, и нанес его на карту. Но во время последующих наблюдений оказалось, что пятнышко не стоит на месте. В начале Гершель решил, что это комета. Однако последующее определение орбиты А.И. Лекселем в России и Пьером-Симоном Лапласом во Франции показало, что новая туманность не что иное как транссатурнианская планета. После некоторых споров планете, по предложению Иоганна Боде, было присвоено имя Уран.

Гершель получил множество наград за расширение границ Солнечной системы. Но главное, открытие Урана позволило ему стать професиональным астрономом, оставив все прочие, отвлекающие от Призвания, дела. До 20 века профессиональных ученых было мало (в первую очередь потому что наука еще не являлась "производительной силой" и не нужно было ежедневно придумывать новые моющие средства и новые типы масел для двигателей). Ученые обычно были преподавателями, чем и зарабатывали на жизнь. Были также более или менее богатые "любители", имевшие унаследованные состояния или занимавшиеся совсем ненаучной работой для зарабатывания денег (в чем-то это напоминает ситуацию с молодыми учеными сейчас в России). Поэтому возможность зарабатывать деньги наукой и посвящять ей всего себя была в 18 веке редкой привилегией, и любой ученый был ей несказанно рад. Таким образом, серендипическое открытие принесло Гершелю не только славу, но и возможность полноценно заниматься любимым делом. Подробнее об отрытии Урана и других работах Гершеля можно прочесть в книге А.И. Еремеевой "Вселенная Гершеля".

В 1787 году Гершель открыл еще и два спутника Урана, но это было совсем не серендипическое открытие.

Янки в Серендипе: Пензиас и Уилсон

Нобелевские премии нередко достаются "ученым из Серендипа". В астрономии это безусловно Роберт Уилсон (10.1.1936) и Арно Пензиас (26.4.1933), открывшие в 1965 году реликтовое излучение, за что в 1978 им была вручена нобелевская премия по физике (одновременно с П.Л. Капицей).

Реликтовое излучение было предсказано почти за 20 лет до открытия. Сделал это Георгий Гамов, переехавший к тому времени из Советского Союза в США. Им была создана т.н. теория Горячей Вселенной. Расчеты Гамова и его соавторов Р. Алфера и Р. Хермана показывали, что реликтом древнего горячего состояния должно остаться электромагнитное излучение с температурой всего лишь около нескольких градусов кельвина (т.е. примерно -270 по Цельсию).

Специально реликт горячей Вселенной в 1965 году никто не искал. Хотя в 1964 И.Д. Новиков и А.Г. Дорошкевич написали статью, где наглядно показали, что реликтовый фон можно зарегистрировать несмотря на другие источники похожего излучения.

Роберт Дикке с соавторами в Принстоне как раз собирались заняться поисками космологического микроволнового фона, когда пришло сообщение об открытии Пензиаса и Уильсона. Именно они (Р. Дикке, П. Пиблс, П. Роллу и Д. Уилкинсон) позже правильно интерпретировали наблюдения Пензиаса и Уилсона.

Дипольная составляющая реликтового излучения

Сами авторы открытия работали в фирме "Белл", и использовали антенну, которая до этого применялась для связи с ретрансляционным спутником "Эхо" (т.е. они вообще не были астрономами, а были радиоинженерами, и о теории горячей Вселенной они ничего не слышали!). В то время это был один из самых чувствительных инструментов в своем классе. В ходе работ наблюдателями было обнаружено излучение, приходившее равномерно со всех сторон. Первоначально его пытались связать с атмосферными процессами. Потом - с далекими галактиками. Но все оказалось гораздо интереснее, и Пензиас с Уилсоном "получили почетное гражданство Серендипа" и Нобелевскую премию.

Забавно, что косвенным путем реликтовое излучение наблюдали и до 1965 года. Например, в 1941 г. МакКеллар обратил внимание на странное возбуждение вращательного состояния молекул циана в межзвездной среде. Возбуждение соответствовало температуре порядка 2.3 градуса Кельвина. Только после открытия реликтового фона сразу несколько человек (в том числе и И.С. Шкловский, предложивший кстати термин "реликтовое излучение") объяснили свойства радикалов циана в межзвездной среде взаимодейтсвием с космологическим микроволновым фоновым излучением.

Кроме этого, по всей видимости реликтовое излучение было зафиксировано в 50-е годы в Советском Союзе Т. Шмаоновым, С. Хайкиным и Н. Кайдановским. Но к сожаления результат был опубликован в малочитаемом издании, и никто из специалистов-космологов с ним не ознакомился. Возможно, и японские ученые в 50-е годы зарегистрировали реликтовое излучение, но также правильная интерпретация результатов не прозвучала.

Подробнее об открытии реликтового излучения можно прочесть, например, в книге И.Д. Новикова "Черные дыры и Вселенная".

Принцесса из Серендипа: Джоселин Белл

История открытия нейтронных звезд (радиопульсаров) драматична сама по себе, т.к. считается, что основной автор открытия, Джоселин Белл, была несправедливо обделена Нобелевским комитетом, вручившим в 1974 году премию (формально "за вклад в развитие радиоастрономии", а не только за радиопульсары) ее научному руководителю Энтони Хьюишу (11.5.1924) и одновременно Мартину Райлу (Ryle) (за метод аппертурного синтеза).

После Второй мировой войны в Англии бурно развивалалсь радиоастрономия. Связано это было в первую очередь с развитием радиолокации во время войны. Англичане преуспели в создании и развитии радиолокационной техники (к примеру, именно радиолокационные разработки служили предметом "обмена" на ядерные секреты, полученные в США, в рамках совместных военно-научных проектов). После войны в распоряжении англичан оказалось достаточно много радиотехники и, что очень важно, много высококлассных специалистов, занимавшихся военными приложениями радиотехники в военное время. Теперь они могли перейти к более мирным занятиям (у нас в стране позже много участников разработок ядерного оружия занялись астрофизическими проблемами, самые известные из них - Я.Б. Зельдович и А.Д. Сахаров).

Пульсар в Крабовидной туманности.

Белл проводила наблюдения мерцаний космических источников радиоизлучения на околосолнечной плазме (т.е. наблюдения должны были проходить днем!) на волне 3.68 метра. Характерное время мерцаний - доли секунды. Она использовала самую совершенную аппаратуру для изучения быстрой переменности радиоисточников. Кроме того и сам радиотелескоп был одним из лучших. Его размеры превосходили километр, хотя стоимость была невысока и строился он в значительной мере усилиями студентов и аспирантов. Кроме того стоит отметить, что это были не разовые наблюдения, а обзор неба (вспомним Гершеля!).

24-летняя Джоселин проявила замечательную интуицию, и не выключала самописец, регистрировавший данные, на ночь (хотя никаких мерцаний на околосолнечной плазме не должно было быть зарегистрировано). И, разбирая ночные записи, обнаружила "помеху". Несмотря на первоначальное убеждение коллег в земном происхождении "помехи" Джоселин продолжила наблюдения, и выяснилось, что помеха появляется каждые 23 часа 56 минут, т.е. объект небесный.

Строгая периодичность сигнала (чуть более 1 секунды) и указания на малые, планетные, размеры источника, навела исследователей на мысль об искусственном происхождении радиоизлучения, и они обозначили объект LGM 1 (Little Green Men), "засекретив" свои собственные исследования на несколько месяцев, отказавшись (добровольно) от их публикации.

Но к январю 1968 года ими было зарегистрировано уже 4 таких источника (для этого понадобилось просмотреть более 6 километров диаграмм). Кроме этого, не было обнаружено эффектов вращения потенциальной обитаемой планеты вокруг своего солнца. И все стали склонятся к мысли о естественном происхождении излучения. Наконец в феврале 1968 года в журнале Nature появилась статья 5 кембриджских авторов (заметим, что первой стояла фамилия Хьюиша, т.к. он был руководителем проекта, а фамилия Белл - второй).

Так были открыти предсказанные в 1932 году Л.Д. Ландау загадочные нейтронные звезды. Подробное описание открытия на русском языке можно найти в книге Ф. Дайсона и Д. Тер Хаара "Нейтронные звезды и пульсары".

Кто ищет, тот всегда найдет

Здесь мы обсудили лишь самые яркие, "нобелевские", серендипические открытия в астрономии. Безусловно подобных открытий гораздо больше.

Безусловно к серендипическим следует отнести открытие космических гамма-всплесков. Они были обнаружены со спутников Vela, предназначенных для слежения за ядерными испытаниями. И регистрация 2 июля 1967 года сигнала из космоса стала для военных специалистов полной неожиданностью. Научная же публикация (статья Р. Клебесадела, И.Стронга и Р. Олсона) состоялась только в 1973 году.

Наверное, каждый ученый в своей жизни хоть раз сталкивался со "случайным" открытием. Причем, не только наблюдатели, но и теоретики. Вспомним например предсказание позитрона Дираком, который вовсе не думал о целом мире античастиц, выписывая свое знаменитое уравнение. Также при численных расчетах часто обнаруживается что-то, что в них не закладывалось. И конечно же запуск каждого нового спутника, ввод в строй нового телескопа сопровождается ожиданием чуда из Серендипа. Но все (!) эти открытия не совсем случайны. Чтобы что-нибудь найти в науке надо что-то искать, работать. Только тогда можно надеятся на успех.