Александр Шаров - Человек, открывший взрыв Вселенной. Жизнь и труд Эдвина Хаббла

• Название: Человек, открывший взрыв Вселенной. Жизнь и труд Эдвина Хаббла
• Автор: Александр Шаров
• Издательство: Наука
• Жанр: Биографии и Мемуары
• Год: 1989
• ISBN: 5-02-014076-7

Описание жизни и деятельности великого ученого нашего столетия  Эдвина-Пауэла Хаббла (1889—1953), автора замечательных открытий, определивших лицо современной астрономии. Его исследования утвердили концепцию островной Вселенной, состоящей из звездных систем-галактик, подобных Галактике, в которой мы живем. Главным достижением Хаббла явилось открытие закона красного смещения линий в спектрах далеких галактик, свидетельствующего о расширении Вселенной. Рассказывается также об исследованиях, продолживших дело Хаббла: о теории горячей Вселенной, о физике процессов в расширяющейся Вселенной, открытии реликтового излучения, о замыслах новых наблюдений для уточнения картины строения и эволюции Вселенной.

При написании биографии ученого использовался ряд материалов, никогда ранее не публиковавшихся.

---

Такова схема явлений, которые, вероятно, происходили при огромных плотностях вещества и огромных энергиях, приведших к «первотолчку» и затем после длинной цепочки событий — к наблюдаемой сегодня Вселенной. А что было еще раньше?

Ответить па этот вопрос совсем непросто и не только потому, что специалисты очень мало знают о процессах при планковских плотностях и энергиях. Трудности связаны с тем, что в этих экстремальных условиях, полностью меняются фундаментальные черты таких всеобщих категорий существования материи, как пространство и время.

Вероятно, планковские плотности — максимально возможные в природе. При этих плотностях пространство и время разбивается на «кванты», характеризуемые длительностью t* ≈ 3∙10-44 с или пространственной протяженностью r* ≈ t∙c ≈ 10-33 см. В таких масштабах происходят бурные «флуктуации» вакуума, и промежутки времени, меньшие t*, бессмысленны. Такое состояние материи называют сингулярным. Все свойства Вселенной, которые мы наблюдаем сегодня, по существу возникли в сингулярном состоянии. В связи с этим возникает еще один вопрос.

Эйнштейн однажды сказал: «Что меня действительно глубоко интересует, так это — мог ли бог создать мир иным?» Великий физик часто словом «бог» называл природу, поэтому мы должны понимать это высказывание, как вопрос о том, могла ли окружающая нас Вселенная быть устроена иначе. Подобные вопросы раньше было «не принято задавать», а теперь это область исследования современной физики и астрономии.

Проблему можно сформулировать следующим образом. Что было бы, если бы законы физики были иные? Например, что произойдет, если изменить заряд электрона (и протона) в несколько раз или, скажем, изменить массу электрона? Вероятный ответ может быть таким. От величины заряда зависит сила притяжения между протоном и электроном, от массы электрона зависят особенности его движения в связанных состояниях в атомах. Значит, указанные изменения приведут к тому, что изменится размер атомов, а, значит, и размер окружающих нас тел. Если изменения свойств электрона будут небольшими, то и окружающие предметы тоже изменятся не сильно.

Аналогичный ответ следует, на первый взгляд, ожидать и на вопрос о том, что произойдет, если изменить значение постоянной тяготения G. При этом, очевидно, изменится сила тяготения для тех же масс. От этой силы зависит темп эволюции небесных тел, их размеры. Значит, изменятся и они. И опять, если изменения постоянной тяготения будут не очень большие, то и вариации свойств небесных тел также окажутся малыми.

Казалось бы, подобные ответы ожидаются и на вопросы об изменении других физических констант. Общий ожидаемый ответ, по-видимому, состоит в том, что мысленный опыт по сравнительно небольшому изменению физических констант сопровождался бы соответствующим небольшим количественным изменением в окружающем мире. Качественных же глубоких изменений во Вселенной при таких вариациях констант произойти не должно.

Анализ показывает, что это заключение оказывается совершенно неверным.

Для примера можно рассмотреть простейший атом водорода. Этот атом может существовать неограниченно долго, если его не подвергать внешним воздействиям. Электрон и протон в нейтральном атоме не вступают в реакцию с образованием нейтрона и нейтрино, несмотря на то, что есть отличная от нуля вероятность для электрона находиться в месте расположения протона. Однако, подобная реакция происходит при столкновении электронов с большой энергией с протонами. Невозможность реакции в нейтральном атоме обусловлена недостатком энергии. Сумма масс покоя электрона и протона меньше, чем масса нейтрона. Недостаток составляет E ≈ 0,8 МэВ. Если вообразить, что масса электрона me равна не 0,5 МэВ, а превышает разность масс нейтрона и протона Δm =1,3 МэВ, то реакция образования нейтрона станет возможной. Например, если бы масса электрона те была бы равна 2 МэВ, то нейтральный атом водорода просуществовал бы всего 30 часов. Таким образом, для длительного существования атома водорода необходимо, чтобы выполнялось неравенство me < Δm. При неизменности массы электрона, но при уменьшении Δm до значений меньших те, получается тот же результат. Следует специально подчеркнуть, что требуемое уменьшение Δm для возможности реакции образования нейтрона в атоме водорода (всего требуется уменьшить Δm на 0,8 МэВ) совершенно ничтожно по сравнению с полной массой протона или нейтрона, которые порядка 1000 МэВ. Изменение массы этих частиц примерно на 10-3 их величины привело бы к катастрофическим последствиям — к отсутствию водорода в сегодняшней Вселенной. Но это означает отсутствие главного ядерного топлива для звезд. При ничтожной вариации массы элементарных частиц во Вселенной не было бы звезд главной последовательности, не было бы химических соединений, содержащих водород и жизнь в такой Вселенной, по-видимому, была бы невозможной.

Следовательно, малые вариации рассмотренных параметров ведут не к малым изменениям свойств небесных тел, а к качественным изменениям свойств Вселенной.

Приведенный пример не исключение, а скорее правило.

Для подтверждения этого рассмотрим свойства тяжелого водорода — дейтерия. В атомном ядре этого элемента (дейтоне) энергия связи частиц составляет Eсв = 2,2 МэВ. Тот факт, что эта энергия Eсв больше, чем E = 0,8 МэВ, обусловливает стабильность дейтона. Нейтрону в ядре «энергетически невыгодно» распасться на протон, электрон и антинейтрино с разрушением дейтона. Следовательно, для стабильности дейтерия обязательно условие Eсв > E, что можно переписать в виде Δm < Eсв + mе. К чему привело бы нарушение этого неравенства и, следовательно, нестабильность дейтерия? Несмотря на то, что дейтерия в природе очень мало (примерно одна стотысячная доля по массе от всего вещества), он играет очень важную роль. Дейтон является первым сложным атомным ядром в цепочке ядерных реакций, ведущих к образованию более тяжелых ядер. Такие реакции происходили и в самом начале расширения Вселенной, они происходят и сегодня в недрах звезд, в процессах, превращающих водород в гелий. Если бы дейтерия не было, то обычный путь образования элементов тяжелее водорода стал бы невозможен. А это снова привело бы к кардинальным качественным изменениям во Вселенной. Таким образом, для «стабильности свойств Вселенной» должны одновременно выполняться неравенства: me < Δm < Eсв + me, что является довольно «тонкой настройкой» фундаментальных физических величин.

Продолжая эту линию аргументов, можно добавить следующий факт. Постоянная сильного взаимодействия такова, что ядерные силы достаточны, чтобы удержать протоны и нейтроны в сложных атомных ядрах. Если бы эта постоянная была несколько меньше, то ядерные силы оказались недостаточны для устойчивого существования всех сложных атомных ядер. Это означает, что в природе не были бы возможны химические элементы тяжелее водорода. Не были бы возможны ни соответствующие ядерные процессы в звездах, ни химические формы движения материи и, по всей вероятности, невозможна была бы и жизнь.

Наконец, рассмотрим еще одно следствие, связанное на этот раз с воображаемым изменением постоянной тяготения.

Известно, что в звездах с массой близкой к массе Солнца и меньше, значительные толщи их поверхностных слоев испытывают конвективное перемешивание. В то же время более массивные звезды после образования не имеют поверхностных конвективных слоев. Существует гипотеза, что образование планетных систем, происходящее совместно с образованием звезд, может успешно осуществляться только у таких звезд, которые после образования сохранили поверхностную конвекцию. Анализ показал, что если бы постоянная тяготения оказалась заметно больше, чем это есть на самом деле, то все звезды после образования не имели бы поверхностных конвективных слоев, а значит не имели бы, вероятно, и планетных систем. По-видимому, жизнь в такой вселенной была бы невозможна. Хотя в данном случае аргументация основывается на ряде гипотез, тем не менее вывод тоже впечатляющ.

Мы не станем приводить дальнейших примеров и только заметим, что внимательный анализ показывает следующее. Изменение некоторых постоянных может привести к невозможности вообще образоваться галактикам, звездам или даже элементарным частицам! А это означает невозможность появления сколько-нибудь сложной структуры во Вселенной.

Таким образом, относительно небольшие вариации фундаментальных констант ведут не просто к небольшим количественным изменениям, а к кардинальным качественным изменениям в природе. В этом смысле наша Вселенная оказалась весьма неустойчивой по отношению к подобным изменениям в законах физики.