мичио каку. Мичио Каку. Параллельные миры
 Скачать 0.53 Mb.
|
|
ГЛАВА 3 Большой Взрыв Вселенная не просто удивительнее, чем мы предполагаем; она удивительнее, чем мы можем предположить. Дж. Б. С. Холдейн Что мы, люди, ищем в истории создания, — так это способ познания мира, который откроет нам нечто, выходящее за пределы данных опыта, что дает нам знания и одновременно формирует нас в своих пределах. Вот что нужно людям. Вот чего просит душа. Джозеф Кэмпбелл Данные, полученные с помощью космического телескопа Хаббла, явно указывали на то, что Вселенная моложе, чем ее старейшая звезда, а это с научной точки зрения невозможно. Данные показывали, что возраст Вселенной от 8 до 12 млрд лет, в то время как некоторые ученые придерживались мнения о том, что старейшие звезды насчитывают 14 млрд лет. «Вы не можете быть старше вашей мамочки», — прокомментировал этот факт Кристофер Импей из Аризонского университета. Но раз уж вы прочитали заголовок, выделенный жирным шрифтом, то вы понимаете, что теория Большого Взрыва пребывает в добром здравии. Доказательства, оспаривающие теорию Большого Взрыва, основывались на данных одной-единственной галактики Ml 00, а такой метод научных исследований весьма сомнителен. В статье утверждалось, что бреши в теории «столь велики, что сквозь них легко прошел бы космический корабль «Энтерпрайз» из телесериала "Стар Трек"». С опорой на необработанные данные космического телескопа Хаббла возраст Вселенной можно было вычислить не точнее, чем с 10-20-процентной погрешностью. Я считаю, что теория Большого Взрыва основывается не на догадках, а на результатах обработки сотен данных из нескольких источников, которые все вместе подтверждают единую непротиворечивую теорию. (В науке не все теории равнозначны. Каждый может предложить свою версию создания Вселенной, но при этом необходимо, чтобы такая теория могла объяснить результаты обработки множества собранных данных, которые легко вписываются в теорию Большого Взрыва.) Три великих «доказательства» теории Большого Взрыва основаны на работе троих невероятно талантливых ученых, каждый из которых занимал ведущее положение в той области науки, которой занимался. Это Эдвин Хаббл, Георгий Гамов и Фред Хойл. Эдвин Хаббл, астроном-аристократ Теоретические основы космологии были заложены Эйнштейном, что же касается современной экспериментальной космологии, то своим созданием она практически полностью обязана Эдвину Хабблу — возможно, величайшему астроному XX столетия. Хаббл родился в глухом местечке Маршфилд (штат Миссури). У скромного деревенского парня были тем не менее большие амбиции. Отец, адвокат и страховой агент, убеждал его заняться юриспруденцией. Однако Эдвин был покорен романами Жюля Верна и… очарован звездами. Он жадно глотал классические произведения научной фантастики, такие, как «Двадцать тысяч лье под водой» и «Из пушки на Луну». Он прекрасно боксировал, тренеры уговаривали юношу профессионально заниматься боксом, чтобы со временем выйти на поединок с чемпионом мира в тяжелом весе Джеком Джонсоном. Хаббл сумел получить престижную стипендию имени Родса для изучения юриспруденции в Оксфорде, где начал осваивать манеры британской аристократической элиты. (Он стал носить твидовые костюмы, курить трубку, добиваться безукоризненного британского выговора и рассказывать о дуэльных шрамах, хоть и поговаривали, что он нанес их себе сам.) Однако счастья Хаббл не испытывал. Его не вдохновляли гражданские правонарушения и судебные процессы — сердце его с детства принадлежало звездам. Он набрался храбрости и круто изменил жизнь, отправившись из Чикагского университета в обсерваторию Маунт Уилсон в Калифорнии, где находился самый большой в мире телескоп со 100-дюймовым зеркалом. Начав карьеру так поздно, Хаббл очень торопился. Наверстывая упущенное время, он стремился как можно быстрее найти ответы на глубочайшие и древнейшие вопросы в астрономии. В 1920-е годы Вселенная была удобным местечком. Люди верили, что она состоит лишь из Галактики Млечный Путь, туманной полосы света в ночном небе, напоминающей разлитое молоко. (Вообще, слово «галактика» происходит от греческого слова, обозначающего молоко.) В 1920 году состоялся «Великий спор» между астрономами Харлоу Шейпли и Хебером Кертисом из Ликской обсерватории. Спор шел на тему «Размер Вселенной» и касался размеров Галактики Млечный Путь и всей Вселенной в целом. Шейпли отстаивал точку зрения, что Млечный Путь — это и есть вся Вселенная. Кертис считал, что за пределами Млечного Пути находятся «спиральные туманности», странные, но очень красивые образования вращающейся туманной материи. (Еще в XVIII в. Иммануил Кант высказывал предположение, что эти туманности являются «островными Вселенными».) Хаббл заинтересовался этим спором. Основной проблемой было то, что определение расстояния до звезд (и до сегодняшнего дня) является для астрономов дьявольски сложной задачей. Яркая, но очень далекая звезда может выглядеть точно так же, как тусклая, но ближняя звездочка. Эта путаница послужила источником многих серьезных споров и противоречий в астрономии. Для решения проблемы Хабблу требовалась так называемая «стандартная свеча», объект, который испускает одно и то же количество света в любой точке Вселенной. (Вообще, значительная часть усилий в современной астрономии направлена именно на поиск и калибровку таких «стандартныхсвечей». Многие споры в астрономии ведутся именно о том, насколько в действительности надежны эти «свечи».) Если бы действительно существовала такая свеча, которая горит однородно и с одинаковой интенсивностью в любой точке Вселенной, то звезда, скажем, в четыре раза менее яркая, чем стандартная, просто находилась бы вдвое дальше от Земли. Однажды вечером, когда Хаббл анализировал фотографию спиральной туманности Андромеды, у него наступил момент озарения. Он обнаружил в пределах туманности Андромеды разновидность переменной звезды (цефеиду), их изучением ранее занималась Генриетта Ливитт. Было известно, что цефеиды постоянно «разгорались» и меркли через определенные промежутки времени, при этом время одного полного цикла зависело от яркости звезды. Чем она ярче, тем дольше цикл пульсации. Таким образом, измерив продолжительность этого цикла, можно определить яркость звезды и вычислить расстояние до нее. Хаббл подсчитал, что период изменения блеска звезды составляет 31,4 дня, что, к его большому удивлению, соответствовало расстоянию в миллион световых лет, а значит, звезда находилась далеко за пределами Галактики Млечный Путь. (Светящийся диск Млечного Пути насчитывает лишь 100 ООО световых лет в поперечнике. Дальнейшие подсчеты показали, что Хаббл даже недооценил действительное расстояние до Андромеды, которое приближается к двум миллионам световых лет.) Проведя такой эксперимент с другими спиральными туманностями, Хаббл обнаружил, что они тоже находятся далеко за пределами Галактики Млечный Путь. Иначе говоря, ему стало ясно, что спиральные туманности представляют собой полноправные «островные вселенные», а Млечный Путь — лишь одна из многих галактик на небесном своде. Размер Вселенной вырос буквально на глазах. Оказалось, что она вовсе не состоит из одной галактики, а заполнена миллионами, а возможно, и миллиардами сестер-галактик. Вместо 100 ООО световых лет в поперечнике Вселенная вдруг стала измеряться миллионами, а возможно, и миллиардами световых лет. Уже одно это открытие обеспечило бы Хабблу законное место в пантеоне великих астрономов. Но ему самому этого было мало. Хаббл намеревался не просто определить расстояние до галактик, но и вычислить, насколько быстро они движутся. Эффект Допплера и расширяющаяся Вселенная Хаббл знал, что простейшим способом вычислить скорость отдаленных объектов является анализ изменений в звуке или свете, который они испускают, так называемого эффекта Допплера. Машины издают звук, проносясь по шоссе. Полицейские пользуются эффектом Допплера для вычисления скорости, с которой вы едете. Они направляют на вашу машину луч лазера, который отражается обратно к полицейской машине. Проанализировав изменение частоты света лазера, полицейские могут вычислить скорость вашего движения. Скажем, если звезда движется по направлению к вам, то световые волны, которые она испускает, складываются подобно мехам аккордеона. В результате длина волн испускаемого ею света становится короче. Желтая звезда будет казаться слегка синеватой (потому что волны синего цвета короче, чем желтого). Подобным образом, если звезда удаляется от вас, то ее световые волны растягиваются, становятся длиннее, и желтая звезда будет казаться уже красноватой. Чем больше искажение, тем больше скорость звезды. Таким образом, если мы знаем смещение частоты звездного света, мы можем определить скорость звезды. В 1912 году астроном В. Слайфер обнаружил, что галактики удаляются от Земли с огромной скоростью. Вселенная не просто была изначально намного больше, чем ранее предполагалось, она еще и расширялась с огромной скоростью. Он обнаружил, что галактики имеют красное смещение, а не синее, что вызвано удалением галактик от нас. Открытие Слайфера показало, что Вселенная действительно динамична, а не статична, как предполагали Ньютон и Эйнштейн. В те столетия, что ученые изучали парадоксы Бентли и Ольберса, никто не принимал всерьез тезис, что Вселенная расширяется. В 1928 году Хаббл совершил, можно сказать, судьбоносную поездку в Голландию, где встретился с Виллемом де Ситтером. Хаббла заинтересовало предположение де Ситтера, что чем дальше находится галактика, тем с большей скоростью она должна двигаться. Представьте воздушный шарик, на поверхности которого нарисованы галактики. По мере увеличения шарика в объеме «галактики», расположенные недалеко друг от друга, разносятся (разлетаются) в стороны сравнительно медленно. Чем ближе они друг к другу, тем медленнее они взаимно удаляются. Но галактики, находящиеся далеко друг от друга, разлетаются значительно быстрее. Де Ситтер посоветовал Хабблу найти подтверждение этого явления в собранных им данных, что могло быть достигнуто анализом красного смещения галактик. Чем значительнее красное смещение галактики, тем быстрее она уносится прочь, а значит, тем дальше находится. (По теории Эйнштейна, красное смещение было вызвано не удалением галактики от Земли, а, напротив, расширением пространства между галактикой и Землей. Происхождение красного смещения он объяснял тем, что световые волны, испускаемые далекой галактикой, удлиняются в связи с расширением пространства, а потому сдвигаются в красную сторону спектра.) Закон Хаббла Вернувшись в Калифорнию, Хаббл последовал совету де Ситтера и приступил к поискам доказательств этого положения. Проанализировав 24 галактики, он обнаружил, что чем дальше находится галактика, тем быстрее она отдаляется от Земли, как и доказал Эйнштейн своими расчетами. Соотношение скорости и расстояния было приблизительно постоянным. Эта величина известна как постоянная Хаббла, или Н. Возможно, постоянная Хаббла является важнейшим космическим критерием, поскольку она выражает скорость расширения Вселенной. Ученые задумались над тем, что если Вселенная расширяется, то у нее непременно должно было быть начало. Величина, обратная постоянной Хаббла, позволяет нам определить приблизительный возраст Вселенной. Представьте, что вы смотрите видеозапись взрыва. Вы видите осколки, улетающие прочь от места взрыва, и можете примерно вычислить скорость расширения. Но это также означает, что можно отмотать пленку назад, до того момента, когда все осколки еще составляют единое целое. Зная скорость расширения Вселенной, мы можем перенестись назад и вычислить примерно время, когда произошел Большой Взрыв. (По первоначальной оценке Хаббла, возраст Вселенной — около 1,8 млрд лет, что добавило головной боли целым поколениям космологов, поскольку эта цифра меньше, чем предполагаемый возраст Земли и звезд. Годы спустя астрономы поняли, что ошибки, допущенные при измерении света от переменных цефеид в туманности Андромеды, стали причиной неверного вычисления значения постоянной Хаббла. По сути, «Хаббловы войны» по поводу уточненного значения постоянной Хаббла бушевали на протяжении последних 70 лет. На сегодняшний день наиболее точную цифру дают данные, полученные спутником WMAP.) В 1931 году в ходе триумфального посещения Эйнштейном обсерватории Маунт Уилсон он впервые встретился с Хабблом. Признавая, что Вселенная действительно расширяется, Эйнштейн назвал космологическую константу своей «величайшей ошибкой». (Однако ошибка Эйнштейна способна поколебать до основания всю космологию, в чем мы убедимся в дальнейшем, когда будем говорить о данных, полученных со спутника WMAP.) Когда жена Эйнштейна осматривала огромную обсерваторию Маунт Уилсон, ей сказали, что благодаря этому гигантскому телескопу можно определить первоначальный вид Вселенной. Миссис Эйнштейн весело ответила: «Мой муж делает это на обороте старого конверта». Большой Взрыв Бельгийский священник Жорж Леметр, узнавший о теории Эйнштейна, был очарован идеей, что из этой теории логически вытекает вывод о расширяющейся, имеющей начало Вселенной. Он понял, что, поскольку газы нагреваются при сжатии, Вселенная «начала времен» должна была быть невероятно горячей. В 1927 году Леметр заявил, что Вселенная, должно быть, возникла из невероятно горячего и сверхплотного «первоатома», который внезапно взорвался, дав начало расширяющейся Вселенной Хаббла. Он писал: «Эволюцию мира можно сравнить с только что закончившимся фейерверком: несколько огненных облаков, пепел и дым. Стоя на остывшей золе, мы видим, как медленно угасают солнца, и пытаемся воссоздать исчезнувшее сияние начала миров».[5 - Первым человеком, предложившим идею «первоатома» начала времен, был Эдгар Аллан По. Он утверждал, что материя притягивает другие формы материи, а значит, в начале времен должно было существовать космическое скопление атомов.] Леметр посещал физические конференции и донимал ученых своей теорией. Они благодушно выслушивали его, а затем спокойно отвергали его теорию. Артур Эддингтон, один из ведущих физиков своего времени, сказал: «Как ученый, я просто не верю в то, что существующий порядок вещей произошел из Взрыва… Понятие «внезапного начала» для существующего порядка в Природе мне противно». Но настойчивость Леметра постепенно преодолела сопротивление физического сообщества. Ученый, которому предстояло стать важнейшим представителем и популяризатором теории Большого Взрыва, в конце концов представил самое убедительное доказательство этой теории. Георгий Гамов, космический шутник Работу Хаббла, утонченного аристократа от астрономии, продолжил не менее талантливый ученый, Георгий (Джордж) Гамов. Во многом Гамов являл собой противоположность Хабблу: шутник, карикатурист, прославившийся розыгрышами и двадцатью занимательными научными книгами, многие из которых были предназначены для молодежи. Несколько поколений физиков (включая и меня) было воспитано на его занимательных и содержательных книгах по физике и космологии. В то время, когда теория относительности и квантовая теория производили переворот в науке и обществе, книги Гамова занимали особое место, потому что они были достоверным источником информации в вопросах передовой науки, вполне доступным даже подросткам. Ученые менее крупные часто бывают не слишком богаты идеями, они довольствуются разработкой чужих. Гамов же был одним из самых плодовитых гениев своего времени, эрудитом, стремительно выдававшим на-гора идеи, изменившие ход развития ядерной физики, космологии и даже исследований ДНК. Возможно, не случайно автобиография Джеймса Уотсона, который вместе с Фрэнсисом Криком раскрыл тайну молекулы ДНК, называется «Гены, Гамов и девушки». Коллега-физик Эдвард Теллер вспоминал: «90 % теорий Гамова были неправильны, очень легко было понять, что они неправильны. Но он никогда не возражал. Он был одним из тех, кто не испытывает особой гордости за свои открытия. Он выдавал последнюю идею, а затем рассматривал ее как шутку». Но оставшиеся 10 % его теорий продолжали развиваться, изменяя всю мировую науку. Гамов родился в Одессе (Россия) в 1904 году, когда страна стояла на пороге социального переворота. Он вспоминал, что «уроки часто отменяли во время стрельбы или штыковых атак греческих, французских или британских экспедиционных войск на главных улицах города против красных, белых или даже зеленых или когда русские разных цветов сражались друг против друга». Решающий момент в жизни Гамова наступил в тот день, когда он пошел в церковь и после службы тайком унес домой кусочек просфоры. Глядя в микроскоп, он не смог разглядеть разницы между хлебом причастия, символизирующим тело Христово, и обычным хлебом. Он заключил: «Я считаю, что именно этот эксперимент сделал меня ученым». Гамов получил образование в Ленинградском университете, где физику преподавал Александр Фридман. Позднее в Копенгагенском университете он встретился со светилами науки, такими, как Нильс Бор. (В 1932 году он и его жена совершили неудачную попытку оставить Советский Союз, отплыв на плоту из Крыма в Турцию. Позднее ему удалось покинуть страну благодаря поездке на конференцию по физике в Брюссель, что обеспечило ему смертный приговор в Советском Союзе.) Гамов прославился тем, что посылал шуточные стишки своим друзьям. Большинство из них непечатные, в одном описывается беспокойство космологов, когда они встречаются лицом к лицу с огромностью астрономических чисел и глядят в лицо бесконечности: Жил-был парень в прекрасном Манчестере, Взял он корень из бесконечности, От количества знаков Чуть не умер от страха, Бросил числа, стал думать о Вечности. В 1920-е годы в России Гамов впервые добился большого успеха, разрешив загадку радиоактивного распада. Благодаря работам мадам Кюри и других ученых стало известно, что атом урана нестабилен и излучает радиацию в виде альфа-лучей (ядро атома гелия). Но согласно механике Ньютона загадочная ядерная сила сцепления, сохраняющая ядро целым, должна была предотвращать расщепление атома. Как же это было возможно? Гамов (а независимо от него — Р. Герни и Э. Кондон) понял, что радиоактивный распад стал возможен потому, что принцип неопределенности в квантовой механике гласит: нельзя одновременно узнать точное местоположение и скорость частицы; следовательно, существовала ничтожно малая вероятность того, что она может «туннелировать», или проникать сквозь барьер. (Сегодня теория «квантового туннелирования» частиц занимает центральное место в физике и используется для объяснения свойств электронных устройств, черных дыр и Большого Взрыва. Сама Вселенная могла быть создана подобным туннелированием.) |