Читать книгу "Гонка за Нобелем - Брайан Китинг"

Проблема № 4: принцип. Хуже всего было то, что модель Леметра шла вразрез с предположением, которое астрономы называют «совершенным космологическим принципом», распространяющим принцип Коперника за пределы Солнечной системы на всю Вселенную. Совершенный космологический принцип всего лишь развивает идею заурядности точек в пространстве применительно к событиям в пространстве и времени, т. е. в пространстве-времени. (Согласно теории относительности Эйнштейна, пространство и время представляют собой единое целое.) Таким образом, рождение Вселенной — самое особое событие в ее истории — противоречит совершенному космологическому принципу, который утверждает, что ни одна точка в пространстве и ни одно событие во времени не могут претендовать на какую бы то ни было исключительность.

Британский космолог Фред Хойл счел гипотезу первичного атома Леметра настолько возмутительной, что в 1949 году в насмешку окрестил ее Big Bang, подразумевая, очевидно, британский эвфемизм для оргазма. Но ему было мало высмеять модель Леметра — Хаббла. Вместе со своими коллегами Томми Голдом и Германом Бонди Хойл решил разработать собственную альтернативную модель, такую, которая разрешила бы все эти сбивающие с толку проблемы.

Те, кто не изучает прошлое, обречены его повторить.

Джордж Сантаяна

Хойл, Голд и Бонди сдружились в Британском адмиралтействе, где работали во время Второй мировой войны. Однажды вечером, уже после войны, они посмотрели фильм «Глубокой ночью» (Dead of Night), положивший начало новому жанру психологического хоррора. В картине кошмарный сон повторяется в виде событий реальной жизни, которые, в свою очередь, оказываются кошмарным сном. Кажется, главный герой обречен переживать этот цикл снова и снова, в вечном дежавю.

Фильм потряс Голда. Ученый задался вопросом: а что, если существует некое подобие «космической репетиции», повторяющийся цикл, который можно рассматривать как альтернативу Большому взрыву? Вскоре он показал, что вечная Вселенная, постоянно создающая новую материю, позволяет объяснить удаление далеких галактик, которое обнаружил Хаббл. В вечной Вселенной нет неловких проблем с возрастом и нет нарушения совершенного космологического принципа. Модель получила название теории стационарной Вселенной. Сама идея была далеко не нова, появляясь в различных вариациях на протяжении тысячелетий; новым в этой модели было то, что она предполагала непрерывное образование новой материи по всему космическому пространству.

Модель стационарного состояния Вселенной была полной противоположностью модели Большого взрыва. Если Большой взрыв предполагал некое начало, то стационарная модель в таковом не нуждалась. В первой модели Вселенная молода, даже слишком молода; во второй она вечна. И если Большой взрыв подразумевал, что весь космос произошел из «первичного атома», то в стационарной модели такой бессмыслицы не было.

Тем не менее в модели стационарной Вселенной также не обошлось без ухищрений. Поскольку изменение Вселенной во времени было практически установленным фактом, приверженцы модели позволили космосу со временем меняться, но постулировали непрерывное образование небольшого количества новой материи, которая обеспечивала постоянную плотность космического пространства. Они утверждали, что такое образование материи — очень малыми темпами — гораздо правдоподобнее, чем возникновение из бесконечно малой точки в ходе единичного события. Хойл поэтически описывал это как «один атом в столетие в объеме, равном Эмпайр-стейт-билдинг». Такое количество новой материи невозможно обнаружить экспериментальным путем, что надежно защищало модель от опровержения путем наблюдений.

Так откуда же берется новая материя в модели стационарной Вселенной? Она материализуется из пустого пространства и конденсируется, формируя звезды в ходе ядерного синтеза, который в конце 1940-х годов еще был плохо изучен. Таким образом, расширяющаяся Вселенная постоянно рождает новые галактики, при этом каким-то магическим образом сохраняя среднее расстояние между ними. Это было довольно изощренно и витиевато, но для многих ученых более приемлемо, чем идея происхождения Вселенной ex nihilo (из ничего), как это предполагала теория Большого взрыва.

Модель стационарного состояния Вселенной позволяла объяснить даже открытую Хабблом зависимость между расстоянием и лучевой скоростью. Наконец, она полностью подчинялась принципу Коперника и, уж конечно, не напоминала теорию сотворения мира из Книги Бытия, 1: 1.

Модель вечной Вселенной, циклически повторяющей процесс творения, по одному атому за раз, в глубинах космической ночи, могла посоперничать с самыми дерзкими голливудскими сценариями и требовала немалой доли художественного воображения.

В 1948 году Голд и Бонди опубликовали описательную версию модели стационарного состояния Вселенной, а Хойл — отдельно — количественные расчеты, дополнявшие описание техническими деталями. Их теория разрешала все четыре фатальные проблемы теории Большого взрыва. Отныне на ринге Великих дебатов появилось два сильных соперника. Хотя две модели были почти полными противоположностями друг друга, у каждой имелись свои сильные стороны и свои явные недостатки. Что разрешит исход противостояния?

Некоторые любят погорячее

Существуют ли какие-то следы, некое подобие археологических источников, с помощью которых космологи смогли бы изучить историю Вселенной? В 1948 году, когда была постулирована теория стационарной Вселенной, Джордж (Георгий) Гамов и его аспирант Ральф Альфер открыли необычные космические часы, впрочем больше напоминавшие термометр, чем хронометр. Это было ядро изотопа водорода под названием дейтрон, которое позволило ученым заглянуть в прошлое, а именно в период между одной секундой и примерно 20 минутами после гипотетического Большого взрыва, который стал самым хорошо изученным этапом в космологической истории.

Гамов предположил, что понимание того, как сформировались самые легкие атомы в периодической таблице Менделеева (помните школьные уроки химии?), может пролить свет на события ранней Вселенной. Если Большой взрыв действительно был, то оставшиеся от него следы должны быть самыми легкими, самыми маленькими и самыми простыми по строению атомами, состоящими из минимального количества протонов и нейтронов. Эти легкие атомы были единственными «реликтами», возраст которых могли установить космические археологи. Гамов и Альфер показали, что относительное изобилие химических элементов может служить своего рода времязависимым термометром, который был наиболее чувствителен в период горячей Вселенной сразу после Большого взрыва.

В 1932 году американский физик Гарольд Юри открыл дейтерий (лат. deuterium — второй), чье название указывает на то, что ядро состоит из двух частиц. (Ядро атома водорода содержит один протон, дейтерий по химическому составу идентичен «разновидности» водорода, изотопу, ядро которого содержит протон и нейтрон.) Дейтрон, как называется ядро дейтерия, фактически представляет собой половину ядра гелия. Следовательно, кулинарный рецепт приготовления ядра гелия мог бы звучать так: «Возьмите два дейтрона и запекайте их при температуре в несколько миллиардов градусов в течение минуты». Тепловое излучение этой раскаленной печи, состоящее из частиц света (фотонов), способно прижать два дейтрона друг к другу достаточно сильно, чтобы преодолеть силу электрического отталкивания между двумя положительно заряженными протонами. (Конечно, реальный процесс образования гелия немного сложнее, но суть его такова.) Однако в этом кулинарном рецепте есть два критических условия. При малейшем превышении определенного порога температуры — примерно в 10 млрд градусов Цельсия — основной ингредиент, дейтрон, распадается на части. Следовательно, чтобы создать ядро гелия, температура должна быть выше нескольких миллиардов градусов, но ниже 10 млрд градусов. И вторая сложность: нестабильность нейтрона. Если он не связан с протоном в течение примерно десяти минут, происходит его радиоактивный распад.