Джон Гриббин - 13,8. В поисках истинного возраста Вселенной и теории всего

• Название: 13,8. В поисках истинного возраста Вселенной и теории всего
• Автор: Джон Гриббин
• Жанр: Образовательная литература
• Год: 2016
• ISBN: 978-5-00100-205-5

Эта книга занимательно рассказывает о том, чего достигла современная наука и чего она еще сможет достичь. В ней описана увлекательная история поиска истинного возраста Вселенной и звезд. По мнению автора, это открытие – одно из величайших достижений человечества, которое доказывает, что современная физика стоит на верном пути к созданию теории всего.

Книга будет полезна всем, кто интересуется физикой.

---

Пензиас и Вильсон не знали, что коллектив Принстона разрабатывает идею о том, что Вселенная расширялась из исходного горячего и плотного состояния и что она наполнена холодным фоновым излучением – радиошумом микроволнового диапазона. На следующий же день принстонцы отправились за 50 километров на встречу с Пензиасом и Вильсоном для проверки их радиотелескопа. Они моментально поверили, что исследователи Лаборатории Белла уловили именно это реликтовое излучение и что «избыточная» температура никак не связана с антенной, а представляет собой температуру самой Вселенной. Хотя сами Пензиас и Вильсон сомневались в этом и в первую очередь потому, что больше верили в концепцию стационарной Вселенной, утверждавшую, что по своей сути Вселенная вечна и неизменна. Однако они с облегчением восприняли то, что обнаруженное ими явление может быть научно объяснено.

Как же именно оно было объяснено? Совсем коротко идею Дикке можно назвать «Большой взрыв, но не такой, каким мы его знаем». Родившийся в 1916 году Дикке был на поколение старше Пензиаса, Вильсона и своих ассистентов из Принстона. Во время Второй мировой он работал над проблемами радаров и создал так называемый радиометр Дикке для анализа именно того типа микроволнового излучения, которое позднее обнаружили Пензиас и Вильсон. И уже в 1946 году, изучая с помощью этого радиометра излучение атмосферы Земли, выяснил, что любой «шум», поступающий вертикально сверху (то есть из космоса), соответствует температуре до 20 К. Впрочем, в тот период он не помышлял о космологии и к 1965 году уже совершенно забыл об этих измерениях. Дикке вновь вернулся к вопросу фонового излучения, столкнувшись с проблемой происхождения химических элементов; эта тема постоянно поднималась в различных исследованиях, описываемых в этой книге.

К середине 1940-х годов стало ясно (я подробнее расскажу об этом в главе 1), что большую часть видимой материи во Вселенной составляют водород и гелий. Яркие звезды и галактики состоят из водорода примерно на 75 % и из гелия примерно на 24 %. Оставшийся процент – это все остальное, включая состав планеты Земля и наших с вами организмов. Водород – самый простой элемент: каждый его атом состоит всего из одного протона и одного электрона. Исходя из того, что это базовый строительный блок материи, астрофизики не могли понять, как же сформировались прочие элементы.

Первым ученым, который применил космологические идеи в попытке понять происхождение химических элементов, стал Георгий Гамов – физик – эмигрант из СССР, в то время работавший в Университете Джорджа Вашингтона в столице США. Получив подтверждение того, что Вселенная непрерывно расширяется – тогда это открытие только было сделано (подробнее см. главу 6), – Гамов первым всецело поддержал идею, что она образовалась из исходного плотного и горячего состояния под влиянием того, что мы сегодня называем Большим взрывом. Он предположил, что изначально существовал горячий, плотный газ, состоящий из нейтронов. Эти нестабильные незаряженные частицы легко распадаются на один протон и один электрон, образуя атомы водорода. Если перед Большим взрывом температура и плотность были достаточно высокими, протоны (ядра атомов водорода) могли объединяться попарно (этот процесс называется слиянием ядер), образуя вместо водорода дейтерий (тяжелый водород). Дальнейшие столкновения сформировали ядра гелия, состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Гамов поручил аспиранту Ральфу Альферу[12] рассчитать, насколько эффективным мог быть этот процесс, и совместно с ним выяснил, что, хотя получить таким образом гелий действительно несложно, более тяжелые элементы просто не успели бы сформироваться до того, как расширяющаяся Вселенная остыла бы до прекращения процесса слияния ядер. Гамова это не смутило. Никогда не сомневавшийся в своих силах ученый заявил, что его теория объясняет происхождение 99 % видимой Вселенной, так что остальное – всего лишь детали, которые можно оставить для выяснения другим исследователям.

Проведенные расчеты легли в основу докторской диссертации Ральфа Альфера и были опубликованы в журнале Physical Review[13] в 1948 году. Неуемный шутник Георгий Гамов решил включить в число авторов своего друга Ганса Бете[14], поскольку ряд «Альфер, Бете, Гамов» напоминал начало греческого алфавита: альфа, бета, гамма. Альфер был огорчен тем, что ему досталась лишь треть признания за эту важную работу, но повлиять на решение руководителя не мог и утешался тем, что его имя стояло первым. Эту работу и сегодня называют «исследование альфа-бета-гамма». Оно стало ключевым шагом в космологии уже потому, что впервые доказало возможность проведения научных расчетов в рамках теории Большого взрыва. Однако вопрос происхождения всех элементов, помимо водорода и гелия, оставался без ответа.

Неясность с происхождением элементов (ядерным синтезом) стала одной из причин, по которой в том же 1948 году Германом Бонди, Томми Голдом[15] и Фредом Хойлом была выдвинута альтернатива Большому взрыву – теория стационарной Вселенной. В основе их концепции лежала идея, что хотя Вселенная и расширяется (скопления звезд, называемые галактиками, отходят дальше друг от друга), она не образовалась в конкретный момент времени из некоего горячего и плотного состояния, а всегда имела приблизительно нынешний вид. По мере расширения в промежутках между галактиками возникает новая материя в виде атомов водорода, которая затем включается в новые звезды и галактики. Далее внутри звезд происходит ядерный синтез. Этот процесс представляется намного более медленным, чем ядерный синтез, описанный Гамовым и его коллегами в рамках теории Большого взрыва, но, поскольку теория стационарной Вселенной предполагает, что она существует неограниченный период времени, это не проблема. Как мы увидим в дальнейшем, Хойл сделал особенно значительный вклад в разработку понимания ядерного синтеза внутри звезд, и некоторое время в конце 1950-х годов ему удавалось отбрасывать теорию Большого взрыва как ненужную (интересно, что он случайно придумал сам термин «Большой взрыв», рассказывая о нем в радиопередаче ВВС). Однако Хойл обнаружил, что, хотя ядерный синтез внутри звезд действительно объяснял возникновение пресловутого 1 % материи, объяснить происхождение всего гелия во Вселенной с его помощью было невозможно. Для интерпретации всех элементов в видимой Вселенной необходимо было использовать еще и идею ядерного синтеза согласно теории Большого взрыва… Однако мы забегаем вперед.

Дикке смущала мысль, что вся материя во Вселенной могла быть создана за долю секунды во время Большого взрыва, но ему не казалось правдоподобным и то, что материя создается непрерывно в промежутках между галактиками. Впрочем, существовал еще и третий вариант – так называемая циклическая Вселенная. Согласно этой теории, количество материи во Вселенной остается неизменным, но после фазы расширения наступает фаза сжатия: Вселенная доходит до горячего и плотного состояния, как перед Большим взрывом, и вновь расширяется, возрождаясь, словно Феникс[16].

К 1950-м годам уже было ясно, что в галактиках, подобных нашему Млечному пути, есть два вида звезд, так называемые Население I и Население II. Население II – это старые звезды, содержащие относительно мало тяжелых элементов (астрономы все элементы тяжелее гелия называют металлами). Они почти полностью состоят из водорода и гелия. Население I – это молодые звезды, включающие относительно высокий процент тяжелых элементов («металлов»). Предполагается, что они появились из материи, полученной при распаде предыдущего поколения звезд и обогащенной (или, если угодно, загрязненной) «металлами», – это явное свидетельство ядерного синтеза внутри звезд. Однако, понял Дикке, в рамках модели циклической, или пульсирующей, Вселенной этап сжатия должен был бы оказаться настолько горячим, что все «металлы» вновь распались бы обратно на водород и гелий. Это соображение привело его к мысли, что Вселенная вокруг нас все-таки действительно развилась из исходного горячего и плотного состояния, даже если это был не единственный в истории Большой взрыв. Примерно в 1964 году ученый предложил только что защитившему докторскую диссертацию коллеге Джиму Пиблсу просчитать необходимую для описанных процессов температуру и вероятную температуру остаточного излучения в наши дни. Примерные расчеты Пиблса показали, что сегодня Вселенная должна быть наполнена микроволновым излучением с температурой менее 10 К, и Ролл с Уилкинсоном уже готовились искать это излучение, когда раздался звонок Пензиаса.

Итогом встречи двух групп исследователей стали две работы, опубликованные в одном и том же июльском номере Astrophysical Journal[17] за 1965 год. Первой шла статья Дикке, Пиблса, Ролла и Уилкинсона с изложением теории реликтового излучения раннего периода существования Вселенной. За ней – труд Пензиаса и Вильсона с осторожным названием «Измерение избыточной антенной температуры на частоте 4080 MГц». В нем не упоминалась потенциальная значимость открытия, на нее намекала лишь одна фраза – «возможное объяснение наличия шумов при измерении температуры дано Дикке, Пиблсом, Роллом и Уилкинсоном в совместной статье в этом выпуске». Они пока не были готовы отказаться от идеи стационарной Вселенной! «Мы считали, – рассказывает Вильсон в своей Нобелевской речи, – что результаты наших измерений не зависят от теории и представляют самостоятельный интерес». Более того, Дикке вспоминал, что «Пензиас и Вильсон вообще не собирались писать статью, пока мы не сказали им, что пишем свою»{3}. Однако в 1978 году, после того как множество измерений, произведенных на самых разных длинах волн многими группами астрономов, подтвердили, что открытое ими излучение действительно реликтовое эхо Большого взрыва, имеющее температуру 2,712 К, Пензиас и Вильсон разделили Нобелевскую премию за свое изобретение. Говорят, они сочли бы для себя достаточным упоминание в качестве пятого и шестого имени в списке после Дикке, Пиблса, Ролла и Уилкинсона[18]. В таком случае премия, видимо, ушла бы Дикке. Но не жалейте ученого: в этой истории и без него есть кого пожалеть.