Читать книгу "О происхождении времени. Последняя теория Стивена Хокинга - Томас Хертог"

семьдесят лет, и мы со Стивеном в нашем научном странствии и вправду столкнемся с некоторыми из этих философских последствий.

В то время, однако, наблюдений, которые могли бы подтвердить гипотезу первичного атома или чего-то вроде него, выполнить не удавалось. После взлета в начале 1930-х космология постепенно сделалась тихой научной заводью: наблюдений в этой области почти не было, зато грандиозных умозрительных построений – хоть отбавляй. Ученые-космологи приобрели сомнительную репутацию тех, кто «часто ошибается, но никогда не сомневается».

По сути, в 1950-х теория Большого взрыва почти исчезла из поля зрения научной общественности. В 1949 году ярый оппонент теории Леметра британский астрофизик Фред Хойл в ходе взятого у него радиокомпанией BBC интервью пустил в обращение словосочетание «Большой взрыв». Он придавал этому выражению иронический оттенок, характеризуя обозначаемое явление как «иррациональный процесс, который не может быть описан на языке науки». Хойл не упустил случая представить космологию Большого взрыва как псевдонауку, упорно внедрявшуюся в общественное сознание согласованными усилиями. Вторя Эддингтону, Хойл констатировал: «У начала Вселенной не может быть никакого причинного объяснения, да и вообще никакого объяснения. Маниакальная страстность, с которой за космологию Большого взрыва хватается корпоративная научная братия, очевидным образом проистекает из глубоко укоренившегося пристрастия к первой странице Книги Бытия – перед нами религиозный фундаментализм во всем своем блеске»[77]. И порекомендовал: «Как только вы услышите слово “происхождение” – не верьте ничему, что вам скажут дальше!»[78]

Вместе с Германом Бонди и Томасом Голдом Хойл предложил альтернативную модель: теорию стационарной Вселенной, которая в 1950-е годы составила Большому взрыву серьезную конкуренцию. Согласно этой теории, хотя Вселенная действительно всегда расширяется, ее средняя плотность остается постоянной: в ней непрерывно происходит образование вещества. Из него формируются новые галактики, которые заполняют образующиеся вследствие разбегания более старых галактик пустоты. В то время как в космологии Большого взрыва бо́льшая часть материи создается в первичном огне, в стационарной Вселенной творение материи – медленный, бесконечно длящийся процесс. У стационарной Вселенной Хойла нет ни начала, ни конца во времени – это какая-то мини-версия мультивселенной, только вместо постоянного образования новых вселенных образуются галактики.

Тем временем известный физик русского происхождения Георгий (Джордж) Гамов – друзья прозвали его Джи-Джи – подверг тщательному рассмотрению экзотическую среду, возникающую в ходе Большого взрыва. Гамов был колоритной фигурой: он обладал каким-то чудесным даром привлекать к себе самых разных людей – от Троцкого и Бухарина до Эйнштейна и Фрэнсиса Крика, причем часто при самых запоминающихся обстоятельствах[79]. Гамов вырос в украинском городе Одесса, а учился в Санкт-Петербурге (Ленинграде), где изучал общую теорию относительности у Александра Фридмана. Раздраженный растущим вмешательством коммунистического государства в интеллектуальную жизнь, Гамов вместе с женой попытался переплыть Черное море в лодке. Они отчалили с южной оконечности Крымского полуострова в сторону Турции, и сначала все шло хорошо, но через два дня они попали в шторм, который отнес их лодку обратно в Крым. Супруги, однако, не сдались: в 1933 году, когда Бор пригласил Гамова принять участие в Седьмом Сольвеевском конгрессе в Брюсселе, они воспользовались этой возможностью и эмигрировали в Соединенные Штаты.

Гамов не был ни математиком, ни астрономом – он был физиком-ядерщиком и представлял Вселенную в первые минуты ее расширения как гигантский ядерный реактор. Вместе с Ральфом Алфером и Робертом Херманом Гамов пришел к выводу, что Большой взрыв был очень и очень горячим. Они задались вопросом, не образовались ли в этом первичном плавильном тигле Вселенной химические элементы, из которых состоим мы сами и все остальное вокруг нас. Гамов рассуждал так: если бы плотность и температура первичной Вселенной были так высоки, что даже атомные ядра не могли бы существовать, Периодическая таблица элементов изначально была бы пустой – в ней был бы только один самый первый элемент, водород, то есть, по сути дела, одни только протоны. Вселенная была бы заполнена сверхплотной горячей плазмой, которую Гамов назвал «Илем» – от греческого ύλη, «материя». Эта плазма состояла бы из свободно движущихся субатомных «строительных кирпичиков» – электронов, протонов и нейтронов, – погруженных в горячий океан излучения. Но когда Вселенная расширилась и остыла, нейтроны и протоны соединились бы и образовали составные атомные ядра. Первым из них был бы дейтерий, тяжелый водород, ядро которого состоит из одного протона и одного нейтрона; ядра дейтерия сами стали бы присоединять к себе протоны и нейтроны, образуя гелий. Применяя законы ядерной физики в условиях расширения пространства, Гамов и его группа рассчитали, что окно для ядерного синтеза в первичной Вселенной должно было открыться примерно через сто секунд после Большого взрыва. Но спустя несколько минут вследствие расширения Вселенной температура упала бы до ста миллионов градусов, и космический ядерный реактор отключился бы. Однако этого короткого промежутка времени было бы достаточно, чтобы примерно четверть всех протонов во Вселенной оказалась внутри гелиевых ядер, да еще совсем небольшого количества более тяжелых элементов, вроде бериллия и лития. Относительное обилие легких элементов, предсказанное Гамовым и его группой, оказалось в прекрасном соответствии с выполненными позже астрономическими измерениями. И сегодня результаты этих вычислений считаются одним из главных подтверждений теории горячего Большого взрыва[80].

Но в работе Гамова, как ни трудно это себе представить, крылось предсказание еще более капитальной важности. Алфер, Гамов и Херман поняли, что тепло, высвобожденное при синтезе атомных ядер, должно все еще существовать в современной Вселенной в виде заполняющего все пространство океана остаточного излучения. Да и куда же ему было деваться? Кроме Вселенной ничего не существует! Вычисления Гамова и его сотрудников показали, что миллиарды лет космического расширения должны были охладить это тепловое излучение до температуры около пяти кельвинов (К), или минус 267 градусов по Цельсию. Столь холодное излучение должно было бы наблюдаться преимущественно в микроволновых частотах электромагнитного спектра. И сегодняшняя Вселенная – все ее пространство – должно быть заполнено этими миллиметровыми волнами. Это было открытие огромной принципиальной важности: Гамов и его сотрудники предсказали существование реликтового остатка горячего Большого взрыва, который мы могли бы видеть, если бы наши глаза были способны воспринимать микроволновое излучение.

И мы увидели его! Нагретые тела должны излучать, и вся Вселенная не может быть исключением из этого правила. Реликтовый космический микроволновой фон, или сокращенно CMB (Cosmic microwave background), был зарегистрирован в 1965 году. Это был звездный час двух американских физиков, Арно Пензиаса и Роберта Уилсона. Ничего не зная о работе Гамова, Пензиас и Уилсон занимались калибровкой гигантской микроволновой рупорной антенны для лаборатории Bell Telephone в Холмделе, штат Нью-Джерси, – она была предназначена для отслеживания баллонных спутников связи «Эхо». В