НОБЕЛОВИ ЛАУРЕАТИ / 1978 г. / ФИЗИКА / АРНО АЛЪН ПЕНЗИАС

Арно Алън Пензиас (Arno Allan Penzias)

26 април 1933 г.

Нобелова награда за физика (заедно с Пьотр Леонидович Капица и Робърт Удроу Уилсън)

(За откриването на космическото микровълново фоново излъчване.)

Американският астрофизик Арно Алън Пензиас е роден в Мюнхен (Германия) и е един от двамата синове на Карл Пензиас, полски гражданин, занимаващ се с кожарство, и жена му Инге (Айзенрайх) Пензиас.

Еврейското семейство на Пензиас напуска Германия в навечерието на Втората световна война. През пролетта на 1939 г. Арно и по-малкият му брат са изпратени в Англия, скоро там отива бащата, а няколко месеца по-късно, вече в началото на войната, и майката. След това семейството напуска Англия през декември 1939 г. и в началото на 1940 г. пристига в Ню Йорк. Бащата на Пензиас работи известно време на строеж в Бронкс, а след това получава работа в дърводелската работилница на музея „Метрополитен“. За да попълни семейния доход, майката започва да работи в шивашко ателие.

През 1947 г. Пензиас постъпва в Бруклинското техническо училище, където, въпреки интереса си към електрониката, се съсредоточава върху заниманията си по химия. След четири години продължава обучението си в колежа „Сити“ в Ню Йорк. Първата година Пензиас се посвещава изцяло на физиката, защото неговият преподавател успява да го убеди, че тази специалност би му дала възможност да си изкарва хляба. През 1954 г. той завършва колежа като един от най-добрите випускници. След изкаран курс за подготовка на запасни офицери, Пензиас служи две години като свързочник във Форт Девънс (щат Масачузетс). В края на 1956 г. започва да следва аспирантура в Колумбийския университет, където му преподават И. А. Раби, Поликарп Куш, Ли Джендао и Чарлз Х. Таунс. Две години преди това Таунс създава първия мазер – прибор, който излъчва и усилва високочестотни радиовълни. Пензиас, под ръководството на Таунс, сглобява втори мазер, използван като усилвател в микровълнов приемник, и това става част от докторката му дисертация, защитена в Колумбийския университет. Предназначен за дължина на вълната от 21 см, на която излъчва радиовълни водородът, мазерът, според идеята на Пензиас, трябва да помогне за определяне на съдържанието на водород в редица галактики. Той свързва прибора с антената на лабораторията за морски изследвания в Меирленд Пойнт (щат Мериленд), но в получения спектър няма водородни линии.

Неудовлетворен от получения резултат, Пензиас се обръща към директора на лабораторията за радиоизследвания, част от телефонната компания „Бел“ в Крофорд хил (щат Ню Джърси), Рудолф Компфнър за разрешение да повтори експеримента. Той смята да използва 20-футовата антена с рефлектор във вид на рупор, установена в Холмдел (щат Ню Джърси), за да получи сигнали от неуправляемия спътник „Ехо“, чието изстрелване са очаква през 1960 г. Вместо това Компфнър предлага на Пензиас постоянна работа, с което той се съгласява през 1961 г., една година след като получава в Колумбийския университе докторска степен.

Първата работа на Пензиас в лабораториите на компанията „Бел“ е свързана с търсене на път за увеличаване на точността на антената, намираща се в Андовър (щата Мен), която се използва за приемане на сигнали от спътника „Телстар“. Пензиас решава много бързо задачата, като поставя вътре в антената втори приемник, насочен към дадения източник на излъчване.

Имайки възможност да продължи работата си по спътниковата връзка с рупорната антена, Пензиас предпочита пред нея фундаменталните изследвания по радиоастрономия, в резултат от които се надява да открие хидроксилна молекула (съдържаща един атом водород и един кислород) в междузвездното пространство. Но макар че постига в този проект положителни резултати, Пензиас е изпреварен от изследователска група от Масачузетския технологичен институт, която открива първа тази космическа молекула.

През 1963 г., работейки с Робърт У. Уилсън, Пензиас започва да приспособява рупорната антена за използване в радиоастрономията. Точната настройка и свръхвисоката чувствителност на нейното усилване позволява на учените да измерят интензивността на няколко извънземни радиоизточници. Нещо повече, те успяват да филтрират радиосмущенията, идващи от местни източници – повърхността на Земята, атмосферата и самата антена. Това позволява да се измери интензивността на фоновото излъчване на всеки участък от небето близо до източника, представляващ някакъв интерес.

През 1964 г. учените използват своята система за измерване на радиосигналите от Касиопея А, обект, който е остатък от свръхнова и е най-мощният радиоизточник в съзвездието Касиопея. Но резултатите от измерването на фона озадачава изследователите, защото смущенията се оказват толкова силни, че не могат да бъдат свързани с някакви известни източници. Аномалиите се запазват и при повторните измервания. Пензиас и Уилсън оглеждат цялата система в търсене на източниците на смущения, дори очистват антената от птичи тор, но това не оказва съществено влияние върху резултатите от измерванията.

Радиовълните, като всяко електромагнитно излъчване, се описват обикновено с дължината на вълната и с честотата си. Но като характеристика може да служи и температурата, защото всички обекти излъчват дължини на вълните, които се определят от тяхната температура, при което колкото е по-висока температурата, толкова по-къса е дължината на вълната. Понеже излъчването на един обект зависи до някаква степен от цвета и строежа на повърхността му, учените приемат за еталон така нареченото черно тяло. Черното тяло излъчва цял спектър от вълни с различна дължина, но при всяка температурна стойност има определена дължина на вълната, чиято интензивност на излъчване е максимална. Излъчват и студените обекти, но характерната за тях дължина на вълната е толкова голяма, че човешкото око не възприема това излъчване. Окото вижда студените обекти благодарение на отразяваната светлина, а на тъмно, където няма източник на светлина, студените обекти са невидими. Фоновото излъчване, или радиосмущенията, забелязани от Пензиас и Уилсън, съдържа толкова големи дължини на вълните, че е значително по-ниско от прага, който може да се види. То съответства на дългите вълни, излъчвани от черно тяло при температура 3,5 градуса по скалата на Келвин, което е съвсем малко над абсолютната нула – температурата, при която спира всяко топлинно движение.

Докато Пензиас и Уилсън проучват непредвидените фонови радиоизлъчвания, теоретична група от Принстънския университет под ръководството на Робърт Дике разработва космологичен модел на разширяващата се и свиващата се Вселена. Ако Вселената се е появила, както предполага Джордж Гамов, в резултат от така наречения „голям взрив“, излъчването от него, според Дике, може да се наблюдава и след осемнадесет милиарда години изстиване. П. Пибълз, колега на Дике, оценява съвременното фоново излъчване на 10 градуса по Келвин (по-късно цифрата е намалена на 3,5 градуса по Келвин), за което съобщава по време на лекция в университета „Джонс Хопкинс“.

Сред учените, които слушат лекцията на Пибълз, е и радиоастрономът от Масачузетския технологичен институт Бърнард Бърк. По време на телефонен разговор с Бърк през 1965 г. Пензиас споменава за необикновените смущения, които наблюдава заедно с Уилсън. Като научава от Бърк за изследванията на Пибълз, ученият се свързва не само с него, но и с Дике и неговите колеги от Принстън, които монтират антена за измерване на космическото фоново излъчване, предсказано от тях.

В резултат от тези контакти излизат (едновременно) две статии, една от принстънската група – за космологичната теория, а друга от Пензиас и Уилсън – за измерването на фоновото излъчване. Наблюденията продължават няколко години, при което излъчването съответства на разпределението на дължините на вълните за температури, предсказани от космологията на „големия взрив“. (Гамов и неговите сътрудници правят подобни предсказания още през 1948 г., но водещите радиоастрономи по това време не допускат възможност за експериментална проверка с тогавашните прибори.)

След това Пензиас и Уилсън предприемат ново изследване с въглероднодвуокисен лазер (усилвател, създаващ интензивен монохроматичен лъч светлина), с помощта на който – както се надяват, могат да се предават сигнали за връзка през земната атмосфера. Изследването завършва с неуспех. В края на 60-те години двамата се връщат към радиоастрономията. В сътрудничество с атомния физик от компанията „Бел“ Кейт Джефъртс те създават приемник, способен да детектира излъчване с дължина на вълната в рамките на милиметъра. През 1970 г. приемникът е свързан с новопостроения в националната радиоастрономична лаборатория в Кит пик (щат Аризона) 36-футов радиотелескоп. Като го насочват към мъглявината Орион, учените откриват спектрална линия на въглероден окис. При по-нататъшните изследвания са открити още шест междузвездни молекули. Пензиас продължава да се занимава с астрофизика, преди всичко с проблема за произхода на химичните елементи.

Лабораториите на компанията „Бел“, като признават изключителните организационни способности на Пензиас, му поверяват редица управленски постове: ръководител на отдела за радиофизични изследвания в Кроуфорд хил (1972 г.), директор на лабораторията за радиоизследвания (1976 г.), вицепрезидент, отговарящ за изследователската работа (1981 г.). От 1972 г. Пензиас е също така член на научния съвет на отдела за астрофизични изследвания на Принстънския университет.

Пензиас получава гражданство на САЩ през 1946 г. и приема името Алън, с което е известен от момента на пристигането си в Америка. То става негово второ име. През 1954 г. се жени за Ан Пърл Берес, която работи като юрисконсулт. Семейството има син и две дъщери.

Член на Националната академия на науките, на Американската академия на науките и изкуствата и на Американското астрономично дружество, Пензиас членува също така в съвета на колежа „Тринити“ и в астрономичната консултативна комисия към Националния научен фонд. Сред наградите, с които е удостоен, е медалът Хенри Дрейпър на американската Национална академия на науките (1977 г.) и медалът Хершел на Лондонското кралско астрономично дружество (1977 г.). Има присъдена почетна научна степен от Парижката обсерватория.

Превод от руски: Павел Б. Николов