przedwcześnie przestał pracować już w listopadzie tego roku, na co w dużej mierze zgubny wpływ miały efekty atmosferycznych prób z bronią jądrową. Wprowadzona poprawka tymczasowo przywróciła w styczniu 1963 roku łączność z satelitą, jednak miesiąc później tranzystory ostatecznie padły i satelita się wyłączył. Dzięki temu uwolnił się czas na antenie w Holmdel i można było prowadzić badania radioastronomiczne.
ILUSTRACJA 13. Sześciometrowa antena zainstalowana w ośrodku badawczym Laboratoriów Bella w Holmdel. Obecnie obiekt wpisany jest na listę amerykańskich zabytków narodowych.
Penzias i Wilson szukali promieniowania mikrofalowego, o którym sądzono, że emitowane jest przez obłoki gazu otaczające naszą galaktykę Drogi Mlecznej. Zaczęli od skierowania anteny na punkt na niebie, gdzie spodziewali się znaleźć promieniowanie, mając zamiar ustanowić „punkt odniesienia”, względem którego będą ostatecznie mierzyć swój sygnał. Ku ich zaskoczeniu znaleźli mocny sygnał; ustawiał on punkt odniesienia tak wysoko, że w istocie przewyższał ten, który mieli nadzieję objąć badaniami.
Dzięki pomiarom dla zaledwie jednej długości fali – 7,35 centymetra – byli w stanie oszacować temperaturę ciała doskonale czarnego dla tego sygnału na poziomie 3,5 kelwina, plus lub minus 1 kelwin. Taki pomiar nie dowodził, że mieli do czynienia z promieniowaniem ciała doskonale czarnego. Było to raczej oszacowanie oparte na założeniu, że próbkują widmo ciała doskonale czarnego48.
Jak wszyscy dobrzy eksperymentatorzy, obrali sobie za cel zidentyfikowanie źródła niechcianego „hałasu”, co pozwoliłoby im go wyeliminować. Promieniowanie zdawało się nie zależeć od kierunku – sygnał docierał jednakowo ze wszystkich kierunków na niebie, promieniowanie zawsze miało tę samą temperaturę. Sygnał był jednakowy o każdej porze dnia i w każdej porze roku. Penzias i Wilson wykluczyli mikrofalowe skażenie ze strony pobliskiego Manhattanu. Przegonili parę gołębi, które zrobiły sobie gniazdo we wnętrzu anteny, wyczyścili jej powierzchnię, nie zostawiając ani śladu ptasich odchodów. Niestety, były to gołębie pocztowe i kiedy niechybnie wróciły, astronomowie byli zmuszeni odwołać się do metod przynoszących bardziej permanentne skutki.
Gołębie zginęły na próżno, promieniowanie mikrofalowe wciąż było.
Nie zbliżywszy się do rozwiązania problemu, w grudniu 1964 roku Penzias wziął udział w sympozjum Amerykańskiego Towarzystwa Astrofizycznego w Montrealu. Wspomniał jednemu z kolegów o zagadkowych obserwacjach i w odpowiedzi usłyszał, że Jim Peebles z Princeton ostatnio pracował nad artykułem, w którym sugerował istnienie kosmicznego promieniowania tła o temperaturze 10 kelwinów. Penzias pozyskał kopię niepublikowanego rękopisu. Wyczuwając możliwość, że to, o czym przeczytał, jest jakoś związane z jego obserwacjami, chwycił słuchawkę i zatelefonował do Boba Dicke’a, naukowego mentora Peeblesa.
Dicke, Peebles, Wilkinson i Roll zebrali się w gabinecie Dicke’a, aby w trakcie przerwy obiadowej omówić projekt własnej anteny mikrofalowej, która miałaby powstać na dachu Laboratorium Fizycznego Palmera w Princeton. Zebranie zostało przerwane przez telefon od Penziasa. Dicke w skupieniu słuchał rozmówcy, wymamrotał kilka odpowiedzi, po czym odłożył słuchawkę i powiedział: „Cóż, chłopaki, ktoś nas wyprzedził!”49.
Dicke, Roll i Wilkinson wskoczyli do samochodu i udali się w krótką podróż do Holmdel. W maju 1965 roku Penzias, Wilson i grupa z Princeton opublikowali pracę, w której ogłosili odkrycie kosmicznego promieniowania tła.
Najstarsze światło Wszechświata, będące świadkiem wydarzeń dziejących się w pierwszych chwilach stworzenia, było gotowe zeznawać.
ANIZOTROPIA I POCHODZENIE STRUKTURY
Roll i Wilkinson wkrótce wykonali własne pomiary w długości fali 3,2 centymetra. Oszacowali temperaturę promieniowania na wartość z przedziału od 2,5 do 3 kelwinów. Zaraz później zgłoszono wyniki dalszych pomiarów w różnych długościach fali z zakresu mikrofal. Wszystkie potwierdzały temperaturę ciała doskonale czarnego od 2,7 do 3 kelwinów.
Pomiary te jednak dotyczyły wyłącznie długofalowej części spodziewanego widma ciała doskonale czarnego, przedstawionego na rysunku II(b) na wkładce. Działo się tak z prostego powodu. Ziemska atmosfera jest dość przezroczysta dla promieniowania o długości fali większej niż 0,3 centymetra, jednakże promieniowanie o krótszych długościach fali jest przez nią pochłaniane. Promieniowanie o długości fali około 0,1 centymetra i krótszej w zasadzie leży już w zakresie podczerwieni. Niestety, właśnie dla takich długości fali promieniowanie ciała doskonale czarnego o temperaturze 3 kelwinów powinno mieć maksimum natężenia.
Jedyny sposób upewnienia się, że naprawdę było to kosmiczne promieniowanie tła, polegał na wykonaniu pomiarów ponad atmosferą naszej planety. W 1977 roku Steven Weinberg dokonywał właśnie ostatnich poprawek w przygotowywanej do druku książce Pierwsze trzy minuty, gdy otrzymał list z zapowiedzią utworzenia zespołu naukowców, którego zadaniem miało być zbadanie możliwości odwzorowania kosmicznego promieniowania tła za pomocą instrumentów umieszczonych na pokładzie satelity. Jeśli taki satelita miał kiedykolwiek powstać, nazywałby się Cosmic Background Explorer, czyli COBE.
W czasie gdy naukowa społeczność cierpliwie czekała na rozstrzygnięcie tych kwestii, zaczęło wypływać kilka naprawdę zastanawiających konsekwencji istnienia takiego promieniowania. Stosując w 1917 roku ogólną teorię względności do całego Wszechświata, Einstein przyjmował założenie, iż jest on jednorodny we wszystkich możliwych kierunkach. Mikrofalowe promieniowanie tła rzeczywiście zdawało się mieć jednakową temperaturę, niezależnie od wybranego kierunku. Naukowcy nazywają taką cechę izotropią.
Jak to jednak możliwe? W miarę jak Wszechświat rozszerzał się aż do momentu, w którym nastąpiła rekombinacja, w nieunikniony sposób rosły odległości między jego poszczególnymi częściami. Ostatecznie odległości te stały się na tyle duże, iż różne części Wszechświata przestały pozostawać ze sobą w kontakcie. Oznacza to, że światło najzwyczajniej potrzebuje za dużo czasu na podróż z jednej części do drugiej, a ponieważ nic nie porusza się szybciej od światła, te różne części Wszechświata nie wywierają już na siebie żadnego fizycznego wpływu.
Oto analogia z życia codziennego. Wiemy, że jeśli rozgrzane ciało styka się z ciałem chłodnym, temperatura obu wyrówna się i stanie się jednakowa. Taka jednakowość musi być skutkiem dynamicznej wymiany energii, która polega na tym, że energia przepływa od ciała rozgrzanego do ciała chłodnego. Wymiana jest możliwa, ponieważ ciała się stykają.
Tymczasem ostatnia chwila, gdy kosmiczne promieniowanie tła mogło brać udział w takiej dynamicznej wymianie energii, może być kojarzona z momentem rekombinacji. Po tej chwili promieniowanie zostało uwolnione od materii i wchodziłoby z nią w interakcje tylko sporadycznie albo w ogóle. Kłopot w tym, że liczący 380 000 lat Wszechświat już był na to za duży. Skończona wartość prędkości światła nie pozwala na to, aby różne jego fragmenty pozostawały ze sobą w kontakcie.
Skoro różne części Wszechświata, zgodnie z oczekiwaniami, utraciły ze sobą łączność, nie było żadnego powodu, aby temperatura kosmicznego promieniowania tła była tak izotropowa. Zagadnienie to nazywamy problemem horyzontu.
Pierwsze możliwe rozwiązanie obmyślono w grudniu 1979 roku i omówiliśmy już je w rozdziale 1. Znane jest pod nazwą kosmicznej inflacji. Na początku procesu inflacji każda część Wszechświata była w bezpośrednim kontakcie z każdym dowolnym jego fragmentem. Panowała równowaga. Wraz z końcem inflacji jednorodność została odciśnięta w wielkiej skali na Wszechświecie, który był teraz znacznie, znacznie większy.