НОБЕЛОВИ ЛАУРЕАТИ / 1978 г. / ФИЗИКА / РОБЪРТ УДРОУ УИЛСЪН

Робърт Удроу Уилсън (Robert Woodrow Wilson)

10 януари 1936 г.

Нобелова награда за физика (заедно с Пьотр Леонидович Капица и Арно Алън Пензиас)

(За откриването на космическото микровълново фоново излъчване.)

Американският радиоастроном Робърт Удроу Уилсън е роден в Хюстън (щат Тексас); той е единственият син и най-голямото от трите деца на Ралф Уилсън, инженер-химик, сътрудник на петролна компания, и Фини Мей (Уилис) Уилсън. Като малък Уилсън често съпровожда баща си, когато ходи при петролните кули, и „се върти сред механизми, всякаква електроника и агрегати“. Благодарение на това Уилсън придобива устойчив, запазил се за цял живот интерес към електрониката. Още като ученик печели джобни пари, ремонтирайки радиоапарати и телевизори.

През 1953 г. Уилсън постъпва в университета „Райс“, където е учил и баща му. Като намира в първи курс учебния план по радиоелектроника за „не много напреднал“, той прехвърля вниманието си върху физиката. Завършвайки с отличие университета през 1957 г., Уилсън работи през лятото в компанията „Ексон“ и получава първия си патент за изобретяването на високоволтов генератор на импулси – прибор, който проследява процеса на сондиране.

През есента на 1957 г. Уилсън започва аспирантура в Калифорнийския технологичен институт (Калтех). През първата година на аспирантурата се запознава с Джон Болтън, австралийски радиоастроном, дошъл в Калтех, за да изгради интерферометър (два радиотелескопа, свързани помежду си с електронни устройства, в резултат от което стават равносилни на много по-голям телескоп) в университетската радиообсерватория, разположена в Оуенс вали, на двеста мили северно от Лос Анджелис. Уилсън пише докторска дисертация под ръководството на Болтън и съставя карта на вариантите на излъчванията, които идват от Млечния път и имат дължина на вълната 31 см. Докторската си дисертация защитава през 1962 г. След още една година в Калтех, която се поляга на защитилите докторат, Уилсън започва работа в една от лабораториите на телефонната компания „Бел“, а по-конкретно – в Изследователската лаборатория в Крофорд хил (щат Ню Джърси). Там работи заедно с Арно А. Пензиас.

През 1960 г. учените от компанията „Бел“ изграждат 20-футова отражателна антена в Холмдел (щат Ню Джърси), за да приемат сигнали от спътника „Ехо“. Когато през 1963 г. антената приключва с изпълнението на своята роля, Пензиас и Уилсън я преправят на радиоастрономичен телескоп. Нейната точна калибровка и крайната ѝ чувствителност са идеални за измерване на интензивността на извънземните източници. Уилсън и Пензиас успяват даже да разпознаят и отстранят от своите измервания радиощумове, възникващи от локални източници като почвата, земната атмосфера и самата антена. Това умение им позволява да направят абсолютни измервания на интензивността на фоновото излъчване от области на небето, близки до интересуващия ги източник. Контролният източник, създаден от Пензиас, се охлажда с помощта на течен хелий, което минимизира топлинното излъчване, и така се получава точно известна величина на слаб шум. Уилсън изобретява превключвател, за да свързва телескопния усилвател последователно с антената и контролния източник, за да сравнява контролния шум с шумовете, получени от космоса.

През 1964 г., работейки за първи път със своята система, Пензиас и Уилсън измерват сигналите от Касиопея А, най-яркия радиоизточник в съзваздието Касиопея. Клас А, както обикновено го наричат помежду си специалистите, е свръхново образувание, разширяваща се газова обвивка, създала се при звезден взрив. Двамата изследователи, за свое удивление, откриват, че равнището на фоновия шум превишава очакваната величина. Когато този озадачаващ резултат се повтаря и при по-нататъшните измервания, Пензиас и Уилсън проверяват внимателно антенната система и другите източници на шум и правят необходимите измервания, като се стараят да отстранят грешките. Но каквото и да правят, не успяват да намалят съществено ненормално големия шум.

Излъчването се представя по принцип с дължината на вълната си или със свързаната с нея честота. Но тъй като всички обекти излъчват електромагнитна енергия с дълги вълни, които стават все по-къси с нагряването на обектите, дължината на вълната може да се свърже и с температурата. Бялата светлина е смес от всички цветове до виолетовия с най-малка дължина на вълната от видимия спектър. Тъй като излъчването зависи също от цвета и текстурата на повърхността на обекта, за отправна точка се взема стандартното черно тяло. Макар че черното тяло има цял спектър от излъчвания, а не една дължина на вълната, всяка температура се характеризира с доминантна вълнова дължина, при която излъчването е особено интензивно. Студените тела също излъчват, но дължините на вълните им са прекалено големи и не принадлежат към видимата част на спектъра.

Необяснимото фоново излъчване, открито от Пензиас и Уилсън, е с дълги (радио)вълни, съответстващи на излъчването на черно тяло при температура 3,5 градуса по Келвин. Абсолютната нула, или 0 градуса по Келвин, е теоретична температура, при която се прекратява всякакво топлинно движение.

Неизвестна на Пензиас и Уилсън група от теоретици в Принстънския университет, ръководена от Робърт Дик, разглежда по това време прилагането на космическия модел, според който Вселената се разширява и свива последователно. Съгласно с този модел днес Вселената се разширява, но гравитационните сили могат с времето да заменят разширяването със свиване и тогава Вселената ще се свие до невероятна плътност, в резултат от което ще настъпи така нареченият „голям взрив“, хипотетично избухване, което е образувало някога цялата материя и цялото излъчване във Вселената. Дик изказва предположение, че излъчването от крайно нажеженото висококонцентрирано ранно състояние на Вселената може да се наблюдава и днес след около осемнадесет милиарда година изстиване. П. Дж. Пибълс, колега на Дик, изчислява, че съвременният еквивалент на реликтовото излъчване е равен на 10 градуса по Келвин (по-късно е дадено уточнено значение, сочещо около 3 градуса по Келвин), и съобщава този резултат по време на лекция в университета „Джонс Хопкинс“. Джордж (Георгий) Гамов, създателят на теорията за „големия взрив“, прави аналогично предположение в по-ранно време.

През 1965 г. Пензиас получава копие от съобщение на Пибълс и научава, че Питър Рол и Дейвид Т. Уилкинсън, членове на групата на Дик, изграждат антена, за да измерят предсказаното космическо реликтово излъчване. Той се среща с принстънската група и в резултат от срещата двата изследователски екипа се съгласяват да работят заедно над едновременно публикуване на две статии в списание „Astrophysical Journal“. Принстънската група публикува статия за космологичната теория, а Пензиас и Уилсън – за откритото от тях фоново излъчване. Допълнителните измервания, осъществени през няколкото следващи годиин, показват, че това излъчване има същото разпределение на дължините на вълните, което предсказва групата на Дик за черното тяло при изчислената от Пибълс температура.

След това Уилсън и Пензиас започват съвсем различни изследвания. Те проявяват интерес към възможността да се използва въглероднодвуокисния лазер (прибор, усилващ светлината и генериращ интензивен монохроматичен лъч) за постигане на полезни резултати в областта на комуникациите, но усилията им се оказват безплодни. Уилсън разработва също така прибор, който измерва яркостта на Слънцето с дължини на вълните 1 и 2 см, в които излъчването на звездата е относително постоянно. Преминаването на тези вълнови дължини през земната атмосфера предизвиква интерес, защото има предложение да бъдат използвани за бъдещи спътникови връзки.

Уилсън се връща към радиоастрономията в края на 60-те години. Работейки заедно с Пензиас и атомния физик от лабораториите на компанията „Бел“ Кейт Джефъртс, той създава приемник, способен да открие излъчване с дължина на вълната от порядъка на милиметри. През 1970 г. тримата свързват своя приемник с 36-футовия радиотелескоп, принадлежащ на Националната радиоастрономическа обсерватория в Кит пик (щат Аризона). Когато телескопът е насочен към мъглявината Орион, на дисплея на приемника се появява спектрална линия (характерно излъчване) на въглероден окис. Уилсън и колегите му откриват по-късно още шест междузвездни молекули. През 1972 г. лабораториите на кампанията „Бел“ решават да изградят апаратура с милиметрова дължина на вълната в Крофорд хил. В допълнение към ръководството за разработването и изграждането на антената Уилсън поема също така отговорността за опазването на оборудването и за подготовката му за радиоастрономични изследвания. През 1976 г. той е назначен за ръководител на радиофизичния изследователски отдел в лабораториите на компанията „Бел“. Две години по-късно става адюнкт-професор в университета на щата Ню Йорк.

След получаването на Нобеловата награда Уилсън остава да работи с установката в Хоумдел, където изследва тъмните газови облаци в Млечния път. В процеса на работата си той открива, че „в такива облаци са съсредоточени значителни части от газа в нашата галактика и именно от такива облаци се раждат новите звезди“.

През 1958 г. Уилсън се жени за Елизабет Роудс Сауин, също от Хюстън; семейството има двама сина и една дъщеря. Уилсън и семейството му обичат да карат зимно време ски и кънки; в свободното си време ученият обича да свири на пиано.

Освен Нобеловата награда, Уилсън и Пензиас си разделята медала Хенри Дрейпър на америсанската Национална академия на науките (1977 г.) и медала Хершел на Лондонското кралско астрономично дружество (1977 г.). Уилсън е член на Американското астрономично дружество, на Международния астрономичен съюз, на Американското физическо дружество, на Международния съюз за радионауки и на Американска академия на науките и изкуствата.

Превод от руски: Павел Б. Николов