мичио каку. Мичио Каку. Параллельные миры

• Название: Параллельные миры
• Анкор: мичио каку
• Дата: 26.03.2021
• Размер: 0.53 Mb.
• Имя файла: Мичио Каку.docx
• Тип: Документы; #188431
• страница: 4 из 23

Проводя аналогию, Гамов говорил об узнике, который заточен в темницу, окруженную высокими тюремными стенами. В классическом мире Ньютона побег невозможен. Но в мире квантовой теории вы не знаете точно, где находится узник в любой момент времени, так же, как не знаете и скорость его перемещения. Если узник станет биться о стены с достаточной частотой, возникнет некоторая вероятность того, что однажды он пройдет сквозь них, хотя это будет прямым противоречием здравому смыслу и ньютоновской механике. Существует конечная, поддающаяся вычислению вероятность того, что узник окажется за пределами тюремных стен. В случае с объектом «узник», имеющим большие размеры и малую энергию, для такого чуда может понадобиться время, превышающее время жизни всей Вселенной. Но с альфа-частицами и субатомными частицами так происходит почти все время, потому что они часто бьются о стены ядра, используя огромные энергии. Многие считали, что эта работа Гамова заслуживает Нобелевской премии.

В 1940-е годы интересы Гамова от теории относительности переместились в сторону космологии, которую он рассматривал как неизведанную ранее сферу деятельности. Что было известно в то время? То, что небо черное, а Вселенная расширяется. Гамов руководствовался единственной целью: найти любые свидетельства, или «окаменелости», доказывающие, что миллиарды лет тому назад произошел Большой Взрыв. Это было бесперспективно, поскольку космология не экспериментальная наука в истинном смысле этого слова. Не существует таких экспериментов, которые бы доказали Большой Взрыв. Космология больше похожа на криминальную дедукцию — науку, основанную на наблюдениях, где нужно искать «следы» или «свидетельства» на месте преступления, — чем на науку, где можно ставить точные эксперименты.

Ядерная кухня Вселенной

Очерёдным вкладом Гамова в физическую науку стало открытие ядерных реакций, в результате которых образуются легчайшие элементы, существующие ныне во Вселенной. Ему нравилось называть это «доисторической кухней Вселенной», в которой все элементы изначально возникли из жаркого пламени Большого Взрыва. Сегодня этот процесс носит название «нуклеосинтез», или установление относительного содержания элементов во Вселенной. Суть теории Гамова в том, что существует нерушимая цепочка элементов, начинающаяся с водорода, которая может быть построена путем последовательного добавления частиц к атому водорода. Гамов утверждал, что вся периодическая таблица элементов Менделеева могла быть создана в пекле Большого Взрыва.

Гамов и его последователи доказывали, что в момент творения Вселенная представляла собой невообразимо горячее скопление протонов и нейтронов; затем, видимо, произошло слияние — атомы водорода образовали атомы гелия. Подобное происходит в водородной бомбе или звезде: температуры настолько велики, что протоны — ядра водорода — с огромной скоростью сталкиваются друг с другом и сливаются, превращаясь в ядро гелия. По этому сценарию последующие столкновения водорода с гелием рождают набор следующих элементов, включая литий и бериллий. Гамов предположил, что элементы более высокого порядка могут быть образованы последовательно путем добавления все большего количества субатомных частиц к ядру, — иначе говоря, он предположил, что сотня или более того элементов, составляющих всю видимую Вселенную, были «испечены» в огненном жару Большого Взрыва.

В свойственной ему манере Гамов в общих чертах нарисовал свою претенциозную идею и предоставил своему аспиранту Ральфу Альферу доработать детали. Когда работа была закончена, Гамов не смог удержаться от розыгрыша. Он поставил имя физика Ганса Бете на титуле своей работы без его ведома, и она стала известна как «альфа-бета-гамма» теория.

Гамов обнаружил, что Большой Взрыв был действительно настолько мощным, что его жара хватило для образования гелия, который составляет около 25 % массы Вселенной. Работая в другом направлении, «доказательство» теории Большого Взрыва можно обнаружить лишь при взгляде на многочисленные звезды и галактики нашего времени — мы понимаем, что они состоят примерно на 75 % из водорода, а на 25 % — из гелия и некоторых других микроэлементов. (Как сказал астрофизик Дэвид Спергель из Принстона: «Каждый раз, покупая воздушный шарик, наполненный гелием, вы покупаете атомы, многие из которых образовались в первые несколько минут после Большого Взрыва».)

Однако у Гамова появились проблемы с расчетами. Его теория была абсолютно верна лишь для очень легких элементов. Но элементы с 5 и 8 нейтронами и протонами чрезвычайно неустойчивы, а потому не могут служить «мостом» для создания элементов с большим количеством нейтронов и протонов. Мост смыло на пяти и восьми частицах. Поскольку Вселенная состоит из тяжелых элементов с гораздо большим количеством частиц, чем 5 и 8 протонов и нейтронов, то как же они образовались при взрыве, осталось космической тайной. Неудача Гамова в попытках преодолеть разрыв на пяти и восьми частицах на долгие годы поставила перед физиками нерешенную проблему, отрезая путь его идее о том, что все элементы Вселенной возникли в момент Большого Взрыва.

Микроволновое реликтовое излучение

В то же время Гамовым овладела другая идея: если Большой Взрыв был так невообразимо горяч, то, возможно, часть его остаточного «жара» все еще циркулирует во Вселенной. Если так, то этот жар предоставил бы «ископаемую запись» о Большом Взрыве. Возможно, интенсивность Большого Взрыва была настолько невообразимой, что Вселенная до сих пор наполнена однородной туманностью его излучения.

В 1946 году Гамов предположил, что Большой Взрыв — это взрыв сверхгорячего ядра нейтронов. То было вполне разумное предположение, поскольку о других субатомных частицах (помимо электрона, протона и нейтрона) известно было очень мало. Гамов понял, что если бы он смог оценить температуру нейтронного шара, то смог бы подсчитать количество и природу излучения, которое тот испускал. Через два года Гамов доказал, что излучение этого сверхгорячего ядра действовало бы как «излучение абсолютно черного тела». Это совершенно особый вид излучения, отдаваемого горячим объектом: свет, падающий на него, объект поглощает полностью, испуская излучение особым образом. Например, Солнце, расплавленная лава, горячие угли в огне и горячая глина в печи светятся желто-красным и испускают излучение «абсолютно черного тела». (Излучение абсолютно черного тела было впервые открыто известным фабрикантом фарфора Томасом Веджвудом в 1792 году. Он заметил, что при обжиге в печи свежеизготовленных изделий они меняют свой цвет от красного к желтому, затем к белому по мере того, как повышается температура.)

Это важный момент, поскольку, зная цвет горячего объекта, примерно знаешь его температуру, и наоборот. Точная формула, связывающая температуру горячего объекта и испускаемого им излучения, была впервые получена Максом Планком в 1900 году, что привело к рождению квантовой теории. (Это, по сути, одна из теорий, при помощи которой ученые определяют температуру Солнца. Солнце излучает в основном желтый цвет, что соответствует температуре абсолютно черного тела в 6000°К. Таким образом, нам известна температура внешних слоев атмосферы Солнца. Подобным образом рассчитывалась температура поверхности красной звезды-гиганта Бетельгейзе — 3000°К, — температура абсолютно черного тела, соответствующая красному излучению: такую температуру имеет раскаленный кусок угля.)

В своей работе 1948 года Гамов впервые предположил, что излучение Большого Взрыва может иметь характерную особенность — это излучение абсолютно черного тела. Важнейшей характерной особенностью излучения абсолютно черного тела является его температура. Теперь Гамову необходимо было вычислить температуру излучения абсолютно черного тела.

Аспирант Гамова Ральф Альфер и другой ученик, Роберт Херман, попытались завершить расчеты Гамова, вычислив точную температуру излучения. Гамов написал: «Экстраполируя от первых дней Вселенной до настоящего времени, мы обнаружили, что за прошедшие эпохи Вселенная должна была охладиться до температуры 5 градусов выше абсолютного нуля».

В 1948 году Альфер и Херман опубликовали работу, где были представлены аргументы в пользу того, что температура излучения, сохранившегося после Большого Взрыва, сегодня должна составлять 5 градусов выше абсолютного нуля (их оценка была поразительно близка к той цифре, которая известна нам сейчас — 2,7 градуса Кельвина). Они постулировали, что излучение, которое они определили как излучение микроволнового диапазона, должно до сих пор циркулировать по Вселенной, наполняя космос однородным «послесвечением».

(Аргументация следующая. В течение многих лет после Большого Взрыва температура Вселенной была настолько высока, что всякий раз, когда образовывался атом, его снова разрывало на части; поэтому образовалось множество свободных электронов, которые и могут рассеивать свет. Таким образом, Вселенная была темной, не прозрачной. Любой луч света, двигающийся в этой сверхгорячей Вселенной, поглощался, пройдя короткое расстояние, поэтому Вселенная выглядела облачной. Однако через 380 ООО лет температура упала до 3000 градусов. При более низкой температуре атомы уже, сталкиваясь, больше не разрывались. В результате стало возможным формирование устойчивых атомов, а лучи света смогли перемещаться в течение световых лет, не будучи поглощенными. Таким образом, впервые пустое пространство стало прозрачным. Излучение же, которое больше не поглощалось сразу же, как только возникло, продолжает циркулировать во Вселенной и в наши дни.)

Когда Альфер и Херман показали Гамову свои окончательные расчеты температуры Вселенной, их учитель был разочарован. Температуру настолько низкую измерить было чрезвычайно трудно. Гамову понадобился целый год, чтобы в конце концов согласиться с тем, что их расчеты верны. Но он отчаялся когда-либо измерить столь слабое поле излучения. Приборами 1940-х годов безнадежно было измерять слабое эхо Большого Взрыва. (В более поздних вычислениях, отталкиваясь от неверного предположения, Гамов поднял температуру излучения до 50 градусов.)

Они прочитали цикл лекций для популяризации своей теории. Но, к несчастью, их пророческие выводы были проигнорированы. Альфер писал: «Мы потратили уйму энергии на лекции о нашей работе. Никто не клюнул; никто не сказал, что температура может быть измерена… И вот где-то в период с 1948 по 1955 год мы, наверное, сдались».

Непоколебимый Гамов благодаря своим лекциям и книгам стал ведущей фигурой в области теории Большого Взрыва. Но он встретил достойного соперника — яростного противника его взглядов. Гамов был способен очаровать слушателей шутками и остротами, зато Фред Хойл мог потрясти слушателей ослепительным блеском своего красноречия и агрессивной дерзостью.

Фред Хойл, оппонент

Микроволновое реликтовое излучение — это второе «доказательство» Большого Взрыва. Но то, что третье серьезное доказательство Большого Взрыва (через нуклеосинтез) даст Фред Хойл, трудно было себе представить: по иронии судьбы, в течение всей своей профессиональной карьеры он пытался оспорить теорию Большого Взрыва.

Хойла можно было бы назвать олицетворением человека, не способного к научной деятельности. Он был блестящим оппонентом, и ему ничего не стоило в несколько агрессивной манере отрицать традиционную мудрость. В то время как Хаббл был изысканным аристократом с манерами оксфордского преподавателя, а Гамов — остроумным шутником и эрудитом, привлекающим слушателей остротами, стишками и шутками, Хойл напоминал неотесанного деревенского бульдога; он казался странным образом не на своем месте в древних стенах Кембриджского университета, старинной альма-матер Исаака Ньютона.

Фред Хойл родился в 1915 году в Северной Англии. Он жил в районе, где суконная промышленность занимала ведущее место, был сыном торговца тканями. С детства в нем проснулся интерес к науке. В те времена радио еще только-только появилось в сельской местности. Хойл вспоминал, что человек 20–30 с большим энтузиазмом установили у себя дома радиоприемники. Но поворотный момент наступил в его жизни, когда родители подарили ему телескоп.

Воинственный стиль Хойла сформировался в глубоком детстве. В возрасте трех лет он знал таблицу умножения, а затем учитель показал ему римские цифры. «Как может быть кто-то настолько глуп, чтобы писать VIII вместо 8?» — вспоминал он с презрением. Но когда ему сказали, что закон требует от него посещения школы, Хойл написал: «Я сделал вывод, что, к несчастью, я родился в мире, где господствует яростное чудовище, называемое «закон», всесильное и безмерно тупое».

Пренебрежению Хойла к авторитетам способствовала стычка с учительницей, которая сказала всему классу, что у цветка (назвала его) пять лепестков. Как доказательство ее неправоты Фред принес в класс именно этот цветок, но с шестью лепестками. За эту дерзость она сильно ударила его по левому уху. (Позднее Хойл на это ухо оглох.)

Теория стационарной Вселенной

В 1940-е годы Хойл не принял теорию Большого Взрыва. Одним из недостатков этой теории было то, что из-за ошибок в измерении интенсивности излучения далеких галактик Хаббл неправильно рассчитал возраст Вселенной — 1,8 млрд лет. Геологи же утверждали, что Земля и Солнечная система, вполне возможно, насчитывают миллиарды лет. Как же могла Вселенная быть моложе собственных планет?

Вместе с коллегами, Томасом Голдом и Германом Бонли, Хойл начал работу над созданием собственной теории. По легенде, их теория стационарной Вселенной была навеяна триллером «Глубокой ночью» с Майклом Редгрейвом в главной роли. Фильм состоит из нескольких рассказов о страшных историях, но в последней сцене происходит неожидаемый виток: фильм заканчивается точно так же, как и начался. Таким образом, события замыкаются в круг, не имея ни начала, ни конца. Как утверждают, именно фильм вдохновил трех ученых на разработку теории Вселенной, у которой также не было ни начала, ни конца. (Позднее Голд внес немного ясности в эту историю. Он вспоминал: «Кажется, несколькими месяцами ранее мы смотрели фильм, и когда я предложил рассмотреть теорию устойчивой Вселенной, я сказал: «А не напоминает ли это фильм "Глубокой ночью"?»)

По этой теории части Вселенной действительно расширялись, но новая материя постоянно создавалась из ничего, так что плотность Вселенной оставалась неизменной. Хотя Хойл не мог объяснить, каким же именно таинственным образом эта материя появлялась ниоткуда, теория незамедлительно привлекла сторонников, которые вступили в борьбу с приверженцами теории Большого Взрыва. Хойлу казалось нелогичным, что огненный катаклизм возник ниоткуда, став причиной того, что галактики разлетелись во все стороны. Он предпочитал спокойное создание вещества из ничего. Иными словами, такая Вселенная была бы безвременной. У нее не было ни начала, ни конца. Она просто была всегда.

(Противостояние «Стационарная Вселенная — Большой Взрыв» походило на противостояния разных теорий в геологии и других науках. В геологии существовал затянувшийся спор между теорией однородности (мнение о том, что Земля приобрела свою теперешнюю форму в результате постепенных изменений в прошлом) и теорией катастроф (которая постулировала, что изменения произошли в результате ужасных катаклизмов). Несмотря на то что теория однородности и до сих пор объясняет многие из геологических и экологических особенностей Земли, никто не станет отрицать влияния комет и астероидов, которые становились причинами массовых вымираний или разрушения и смещения континентов в результате тектонических сдвигов.)

Лекции Би-Би-Си

Хойл всегда любил хорошую драку. В 1949 году его и Гамова пригласила Британская радиовещательная корпорация (Би-Би-Си) для проведения дискуссии о происхождении Вселенной. Во время этих передач Хойл, оспаривая теорию Большого Взрыва, и далей, собственно, такое название. Он сказал следующее: «Эти теории основывались на гипотезе о том, что вся материя во Вселенной была создана в результате одного Большого Взрыва, происшедшего в определенное время в далеком прошлом». Это название пристало. Теория Гамова отныне была официально названа теорией Большого Взрыва, и название это придумал ее величайший враг. (Позднее Хойл заявил, что не имел в виду унизить противника. «Я ни в коем случае не выдумал это название для уничижения. Оно было выбрано в качестве аргумента в споре», — признался он.)

(В течение многих лет сторонники теории Большого Взрыва героически пытались это название изменить. Они недовольны этой, почти вульгарной коннотацией названия теории, а также тем фактом, что его изобрел основной ее противник. Языковых пуристов особенно раздражало то, что название и по сути-то абсолютно неверно. Во-первых, Большой Взрыв не был большим (поскольку это был взрыв некоего крошечного образования, намного меньшего, чем атом), а во-вторых, взрыва как такового не было (поскольку в открытом космосе не было воздуха). В августе 1993 года журнал «Небо и Телескоп» объявил конкурс на новое название теории Большого Взрыва. На конкурс было представлено тринадцать тысяч предложений, но жюри не смогло выбрать из них вариант лучше первоначального.)

Чем Хойл поистине прославился в народе, так это своими знаменитыми радиолекциями на Би-Би-Си, посвященными науке. В 1950-х годах Би-Би-Си планировала транслировать научные лекции в субботу вечером. Однако, когда изначально приглашенный гость отказался прийти, продюсеры вынуждены были искать замену. Они связались с Хойлом, и тот согласился. И только потом они проверили досье ученого, где было написано: «Этого человека мы опасаемся приглашать».

К счастью, они проигнорировали неприятное предостережение предыдущего продюсера, и Хойл прочитал миру пять захватывающих лекций. Эти классические передачи Би-Би-Си очаровали всю нацию и даже вдохновили молодое поколение будущих астрономов. Астроном Уоллес Сарджент вспоминает, что эти передачи оказали на него сильное воздействие: «Когда мне было пятнадцать, я послушал лекции Фреда Хойла по Би-Би-Си под названием «Природа Вселенной». Сама мысль о том, что вы знаете, какова температура и плотность в центре Солнца, чудовищно шокировала. В пятнадцатилетнем возрасте казалось, что такие вещи лежат за пределами возможного знания. Шокировали не просто сами цифры, а тот факт, что их вообще можно узнать».

Звездный синтез

Хойл, который презирал праздные размышления, взялся за проверку своей теории. Он был в восторге от идеи, что элементы Вселенной испеклись не в топке Большого Взрыва, как считал Гамов, а в звездном ядре. Если около сотни химических элементов возникло в ядре звезд, то потребность в существовании Большого Взрыва вообще отпадала.

В ряде работ, содержащих плодотворные идеи и опубликованных в 1940-е — 1950-е годы, Хойл и его коллеги описали в подробностях, как ядерные реакции в ядре звезд, а не в пламени Большого Взрыва присоединяли все больше и больше протонов и нейтронов к ядрам водорода и гелия до тех пор, пока не были созданы все тяжелые элементы, во всяком случае до железа. (Они решили загадку, как создать элементы с массовым числом выше 5, которая поставила в тупик Гамова. В гениальном озарении Хойл понял, что если существовала ранее незамеченная неустойчивая форма углерода, состоящая из трех ядер гелия, то она могла бы просуществовать достаточно долго, чтобы послужить «мостом» для создания элементов высшего порядка. В ядрах звезд эта новая неустойчивая форма углерода могла продержаться достаточно долго для того, чтобы можно было путем последовательного добавления все большего количества нейтронов и протонов создать элементы с массовым числом выше 5 и 8. Когда эта неустойчивая форма углерода действительно была обнаружена, это открытие блестяще продемонстрировало, что нуклеосинтез происходит в ядрах звезд, а не при Большом Взрыве. Хойл даже создал большую компьютерную программу, определяющую почти с первых шагов относительное содержание элементов во Вселенной.)

Но даже сильного жара внутри звезд недостаточно, чтобы «ис печь» такие элементы, как медь, никель, цинк и уран. (Извлекать энергию при слиянии элементов тяжелее железа чрезвычайно сложно в силу различных причин, в том числе отталкивания протонов в ядре и нехватки связующей энергии.) Для тяжелых элементов понадобилась бы печка побольше — взрыв массивных, или сверхновых звезд. При грандиозном взрыве гигантской звезды температура ее предсмертной агонии может достигать триллионов градусов, и эта энергия оказывается достаточной для «приготовления» элементов тяжелее железа. По сути, это означает, что большинство элементов тяжелее железа — результат взрыва сверхновых звезд.

В 1957 году Хойл в соавторстве с Маргарети Джефри Бербиджами и Уильямом Фаулером опубликовал, возможно наиболее значительную, работу, где в подробностях были представлены все этапы, необходимые для создания элементов во Вселенной и для определения их распространенности. Аргументы авторов были так точны, вески и убедительны, что даже Гамову пришлось признать, что Хойл представил убедительнейшую картину нуклеосинтеза. Гамов, в присущей ему манере, даже сочинил следующий экспромт в библейском стиле:

В самом начале, когда Бог создавал элементы, волнуясь при счете, Он не назвал массу пять, а потому, естественно, не могли образоваться тяжелые элементы. Бог был очень разочарован и поначалу хотел снова взорвать Вселенную, а затем начать все сначала. Но это было бы слишком просто. Тогда всемогущий Бог решил исправить свою ошибку самым невероятным образом. И сказал Бог: Да будет Хойл. И появился Хойл. И посмотрел Бог на Хойла… И велел ему сотворить тяжелые элементы так, как ему вздумается. И Хойл решил сотворить тяжелые элементы в ядрах звезд и распространять их по Вселенной с помощью взрывов сверхновых.

Аргументы против теории стационарной Вселенной

Однако в течение десятилетий во всех направлениях науки накапливалось все больше доказательств, опровергающих «теорию стационарной Вселенной». Хойл обнаружил, что его борьба обречена на верный проигрыш. По его теории, поскольку Вселенная не эволюционировала, а постоянно создавала новую материю, ранняя Вселенная должна была выглядеть очень похожей на Вселенную наших дней. Видимые нам сегодня галактики тоже должны были походить на те галактики, что существовали миллиарды лет назад. Теория стационарной Вселенной могла быть опровергнута, если бы были обнаружены признаки значительных эволюционных изменений Вселенной на протяжении миллиардов лет.

В 1960-е годы в космическом пространстве обнаружили загадочные источники невероятной энергии, названные «квазарами», или квазизвездными объектами. (Название было таким броским, что позднее его использовали в качестве марки телевизора.) Квазары генерировали невероятные количества энергии и характеризовались красным смещением огромной величины, что означало, что они находятся на расстоянии миллиардов световых лет от нас, а также что они освещали Вселенную еще в раннем ее детстве (сегодня астрономы считают, что квазары — это гигантские молодые галактики, ведомые энергией огромных черных дыр). У нас нет доказательства существования каких-либо квазаров сегодня, хотя согласно теории стационарной Вселенной они должны существовать. За миллиарды лет они исчезли.

В теории Хойла крылась еще одна проблема. Ученые доказали, что во Вселенной слишком много гелия, чтобы это вписывалось в теорию стационарной Вселенной. Гелий, известный как газ, используемый для надувания воздушных шаров и небольших дирижаблей, в действительности довольно редок на Земле, но он является вторым по относительному содержанию элементом во Вселенной после водорода. Вообще, он настолько редок, что впервые был обнаружен не на Земле, а на Солнце. (В 1868 году ученые анализировали свет Солнца, проходящий через призму. Преломленный луч света распадался на обычную радугу цветов и спектральных линий, но ученые обнаружили нечеткие спектральные линии, вызванные загадочным элементом, никогда не виденным ранее. Они ошибочно посчитали, что это металл, а названия металлов (в английской терминологии) оканчиваются на Лит, например lithium (литий), uranium (уран). Они дали этому загадочному металлу название helium (гелий) от греческого названия Солнца, «Helios». Когда же в 1895 году гелий был найден на Земле в залежах урана, ученые с большим смущением обнаружили, что это газ, а не металл. Так название гелия, впервые открытого на Солнце, изначально оказалось неправильным.)

Если первичный гелий в основной своей массе рождался в звездных ядрах, как считал Хойл, он должен был быть довольно редким и находиться в недрах звезд. Но астрономические данные показали, что относительное содержание гелия во Вселенной довольно высоко и составляет 25 % от всей массы атомов во Вселенной. Было обнаружено, что гелий однородно распространен по всей Вселенной (как и предполагал Гамов).

Сегодня мы знаем, что и в теории Гамова, и в теории Хойла были зерна истины относительно нуклеосинтеза. Гамов считал, что все химические элементы были побочным результатом, или золой, Большого Взрыва. Но его теорию убили провалы на пяти и восьми частицах. Хойл же считал, что смог зачеркнуть теорию Большого Взрыва, показав, что в звездах «пекутся» все элементы — к Большому Взрыву прибегать нет никакой потребности. Но его теории не удалось объяснить огромный процент гелия, существующий, как нам известно, во Вселенной.

По существу, Гамов и Хойл дали нам взаимодополняющую картину нуклеосинтеза. Очень легкие элементы с массой до 5 и 8 действительно возникли в результате Большого Взрыва, как и предполагал Гамов. Сегодня в результате последних физических открытий стало известно, что во время Большого Взрыва действительно возникла большая часть дейтерия, гелия-3, гелия-4 и лития-7, которые присутствуют в природе. Но более тяжелые элементы были, в основном, созданы в ядрах звезд, как утверждал Хойл. Если мы прибавим элементы тяжелее железа (медь, цинк и золото), которые возникли из обжигающего жара сверхновых звезд, то мы получим завершенную картину, объясняющую соотношение всех элементов во Вселенной. (Любая теория, соперничающая с нынешними взглядами космологов, столкнулась бы с задачей немыслимой сложности: объяснить возникновение более сотни элементов во Вселенной и множества их изотопов.)

Как рождаются звезды

Одним из неожиданных результатов жаркого спора по поводу нуклеосинтеза стало довольно полное описание жизненного цикла звезд. Стандартная звезда, такая, как наше Солнце, начинает жизнь как огромный шар разреженного водорода, называемый протозвез-дой; постепенно шар сжимается под воздействием силы гравитации. Начиная сжиматься, этот шар ускоряет вращение (что часто влечет за собой образование двойной звездной системы, где две звезды следуют друг за другом по эллиптическим орбитам, или образование планет в плоскости вращения звезды). Ядро звезды очень сильно разогревается, достигая температуры приблизительно в 10 млн градусов и более, при которой происходит нуклеосинтез водорода с образованием гелия.

Когда звезда раскаляется, ее называют звездой главной последовательности. Она может гореть около 10 млрд лет, сначала сгорает водород, а потом гелий. Наше Солнце сейчас находится в срединной точке этого процесса. По окончании периода сгорания водорода начинает гореть гелий, вследствие чего звезда невероятно расширяется — до размеров орбиты Марса — и становится «красным гигантом». После того какгелиевое топливо истощается, внешние слои звездного ядра рассеиваются, обнажая ядро — «белый карлик» размером с Землю. Такими-то белыми карликами и встретят свою смерть звезды небольшого размера — вроде нашего Солнца.

В звездахже, масса которых превосходит массу Солнца в 10–40 раз, процесс нуклеосинтеза протекает намного быстрее. Когда звезда становится красным сверхгигантом, в ее ядре стремительно синтезируются легкие элементы, и поэтому звезда выглядит как некий гибрид: белый карлик внутри красного гиганта. В этом белом карлике могут синтезироваться легкие элементы (с атомным весом ниже железа), составляющие периодическую таблицу элементов. Когда процесс нуклеосинтеза достигает этапа, на котором создается железо как элемент, энергия в процессе нуклеосинтеза больше не вырабатывается, и по прошествии миллиардбв лет ядерные меха наконец прекращают свою работу. В этот момент звезда внезапно коллапсирует, создавая огромные давления, которые фактически вталкивают электроны в ядра. (Создаваемая плотность может в 400 миллиардов раз превосходить плотность воды.) В результате температура подскакивает до триллионов градусов. Энергия гравитации, сконцентрированная в этом крошечном объекте, вызывает взрыв, создавая сверхновую звезду. Высокая температура взрыва снова вызывает нуклеосинтез и синтезируются элементы с атомным весом выше железа по периодической таблице.

Например, красная звезда-сверхгигант Бетельгейзе, легко различимая в созвездии Ориона, неустойчива; она может в любой момент взорваться как сверхновая, испуская огромные количества гамма-лучей и рентгеновских лучей. Когда это случится, сверхновая будет видна даже днем, а ночью, возможно, затмит Луну. (Когда-то считалось, что колоссальная энергия, освободившаяся при взрыве сверхновой, уничтожила динозавров 65 млн лет тому назад — Вообще, сверхновая, находись она на расстоянии около 10 световых лет от нас, могла бы уничтожить всю жизнь на Земле. К счастью, звезды-кандидаты в сверхновые — Спика и Бетельгейзе — находятся на расстоянии 260 и 430 световых лет соответственно: это слишком далеко от нас, чтобы причинить какие-либо серьезные повреждения Земле, когда они в конце концов взорвутся. Но некоторые ученые считают, что вымирание некоторых морских организмов два миллиона лет тому назад было вызвано именно взрывом сверхновой на расстоянии 120 световых лет от Земли.)

Это означает, что Солнце не является истинной «матерью» Земли. Хотя многие народы Земли почитали Солнце как бога, сотворившего Землю, такой подход верен лишь отчасти. Хотя изначально Земля произошла от Солнца (будучи частью эклиптической плоскости звездных обломков и пыли, циркулировавших вокруг Солнца 4, 5 млрд лет назад), температура нашего Солнца высока лишь настолько, чтобы был возможен процесс нуклеосинтеза водорода с образованием гелия. Это означает, что нашей истинной «ма-терью»-солнцем была безымянная звезда (или скопление звезд), погибшая миллиарды лет назад при взрыве сверхновой, в результате которого близлежащие туманности оказались насыщены элементами с атомным весом выше железа, из которых состоят наши тела.

Точнее, наши тела состоят из звездной пыли, из звезд, которые погибли миллиарды лет назад.

После взрыва сверхновой остается лишь то, что сегодня называется нейтронной звездой, которая состоит из плотного ядерного вещества, сжатого до размеров Манхэттена — почти 30 км. (Впервые существование нейтронных звезд было предсказано в 1933 году Фрицем Цвикки, но это казалось настолько фантастичным, что на протяжении десятилетий ученые не обращали на его слова внимания.) Поскольку нейтронная звезда испускает излучение нерегулярно, а также вращается с огромной скоростью, она похожа на вращающийся маяк, испускающий вспышки света в процессе вращения. При наблюдении с Земли кажется, что нейтронная звезда пульсирует, отсюда и ее название — пульсар.

Чрезвычайно большие звезды, имеющие массу, возможно, в 40 раз превышающую массу Солнца, взорвавшись в конце концов как сверхновые, могут оставить после себя нейтронную звезду, масса которой больше трех солнечных масс. Гравитация этой нейтронной звезды настолько велика, что она может противодействовать силе отталкивания, возникающей между нейтронами, и звезда совершит свой заключительный коллапс и превратится в самый необычный, скорее всего, объект Вселенной — черную дыру, о которой я поведу речь в пятой главе.

Птичий помет и Большой Взрыв

Смертельным ударом в самое сердце теории стационарной Вселенной стало открытие Арно Пензиаса и Роберта Вильсона в 1965 году. Работая с шестиметровым радиотелескопом в лаборатории Белл в городе Холмдел, они, ловя радиосигналы из космоса, поймали странный радиошум. Сначала они решили, что этот шум — результат какого-то отклонения в работе системы, поскольку получалось, что шум поступает равномерно со всех направлений, а не от конкретной звезды или галактики. Чтобы исключить возможное влияние грязи и мусора, они тщательно отчистили рупор телескопа от того, что Пензиас деликатно назвал «слоем белого диэлектрического вещества» (популярное его название у астрономов — «птичий помет»). В результате сила радиошума только возросла. Они и не подозревали, что случайно наткнулись на микроволновое реликтовое излучение, существование которого было предсказано Георгием Гамовым и его коллегами еще в 1948 году.

Довольно долго история космологии напоминала старые фильмы о кистоунских полицейских, в которых три группы копов пытаются раскрыть преступление, даже не подозревая о существовании друг друга. С одной стороны, Гамов, Альфер и Херман заложили основы теории микроволнового реликтового излучения в 1948 году; они предсказали, что температура этого излучения составляет 5 градусов выше абсолютного нуля. Идею об измерении микроволнового космического излучения они оставили, поскольку приборы, имевшиеся тогда в их распоряжении, не обладали достаточной чувствительностью даже для того, чтобы его обнаружить. В 1965 году Пензиас и Вильсон все-таки обнаружили излучение абсолютно черного тела, но не поняли этого. В то же время третья группа под руководством Роберта Дикке из Принстонского университета вновь обратилась к теории Гамова и его коллег и теперь активно занималась вопросом улавливания микроволнового реликтового излучения, но существовавшее оборудование было до прискорбия примитивным, чтобы его уловить.

Эта комическая ситуация нашла свое завершение, когда астроном Бернард Берк, общий друг Пензиаса и Дикке, рассказал первому о работе второго. Когда две группы исследователей наконец объединились, стало ясно, что Пензиас и Вильсон уловили сигналы, оставшиеся после того самого Большого Взрыва. За это важное открытие Пензиас и Вильсон в 1978 году были удостоены Нобелевской премии.

Оглядываясь на прошлое, можно вспомнить, как Хойл и Гамов, два самых знаменитых автора противоречащих друг другу теорий, встретились в 1956 году в «кадиллаке»: эта судьбоносная встреча могла изменить весь ход развития космологии. «Я помню, как Георгий возил меня в белом кадиллаке», — вспоминал Хойл. Гамов тогда напомнил Хойлу о своем утверждении, что после Большого Взрыва осталось излучение, которое можно увидеть даже сегодня. Однако, согласно последним расчетам Гамова, температура этого излучения была около 50 градусов. Тогда Хойл поделился с Гамовым информацией, которая стала для последнего шокирующим открытием. Хойлу была известна не нашедшая признания работа, написанная в 1941 году Эндрю Маккеларом, в которой автор утверждал, что температура открытого космоса не может превышать трех градусов по Кельвину. При более высоких температурах происходили бы новые реакции, которые создали бы соединения углерода с водородом (CN) и азотом (СН) в возбужденном состоянии в открытом космосе. Измерив спектр этих химических элементов, можно было определить температуру открытого космоса. По сути, он выяснил, что плотность молекул CN, обнаруженных им в космосе, указывает на температуру в 2,3° К. Другими словами, микроволновое излучение с температурой в 2,7°К уже было как бы открыто в 1941 году, о чем Гамов не имел понятия.

Хойл вспоминал: «Случилось ли это потому, что «кадиллак» был слишком удобен, или потому, что Георгий настаивал на температуре выше 3°, а я — на равной нулю, мы упустили свой шанс сделать открытие, которое девятью годами позже сделали Арно Пензиас и Боб Вильсон». Если бы группа Гамова не сделала ошибку в расчетах и пришла к более низкой температуре или если бы Хойл не относился столь враждебно к теории Большого Взрыва, то история космологии, возможно, оказалась бы иной.

Большой Взрыв и психология

Открытие микроволнового фона Пензиасом и Вильсоном решающим образом повлияло на карьеру Гамова и Хойла. Хойла их работа чуть не вогнала в гроб. В конце концов в 1965 году на страницах журнала «Нэйчер» (Nature) Хойл официально признал свое поражение, приводя в качестве аргументов отказа от теории стационарной Вселенной микроволновое реликтовое излучение и относительное содержание гелия. Но что его действительно беспокоило, так это тот факт, что теория стационарной Вселенной потеряла свою прогностическую силу: «Всем известно, что существование микроволнового реликтового излучения убило космологию "стационарной Вселенной", но что действительно убило теорию "стационарной Вселенной" — так это психология… Здесь, в микроволновом излучении, заключалось важное явление, которого она не предсказала за многие годы, и это сбило с меня спесь». (Позднее Хойл вернулся на прежние позиции, безуспешно пытаясь работать с другими версиями теории стационарной Вселенной, но каждый новый вариант был все менее правдоподобным.)

К несчастью, вопрос о первенстве открытия оставилв душе Гамова неприятный осадок. Гамов, если читать между строк, был недоволен тем, что его собственная работа, а также работы его сотрудников так мало упоминались, если вообще упоминались. Неизменно вежливый, он помалкивал о своих чувствах, но в личных письмах отмечал несправедливость того, что физики и историки науки полностью проигнорировали их работу.

Хотя работа Пензиаса и Вильсона нанесла сокрушительный удар по теории стационарной Вселенной и обеспечила твердую экспериментальную основу теории Большого Взрыва, в понимании структуры расширяющейся Вселенной существовали огромные пробелы. Например, в модели Вселенной Фридмана для того, чтобы понять, как эволюционирует Вселенная, необходимо знать значение ы, средней плотности Вселенной. Однако определение ее оказалось довольно проблематичным, когда ученые обнаружили, что Вселенная состоит не только из известных нам атомов и молекул, а еще и из незнакомой новой субстанции, называемой «темным веществом», которая весит в 10 раз больше обычного вещества. И снова блестящие достижения в этой области не были восприняты всерьез астрономическим сообществом.

Омега и темная материя

История темной материи, возможно, одна из самых необыкновенных историй космологии. В далекие 1930-е годы независимый швейцарский астроном Фриц Пвикки из Калифорнийского технологического института заметил, что движение галактик в скоплении галактик Кома не соответствовало теории гравитации Ньютона. Он обнаружил, что скорость движения галактик такова, что, по законам движения Ньютона, они должны были разлететься в стороны, а скопление — распасться. Пвикки решил, что единственным возможным объяснением того, что скопление Кома удерживается, а не разлетается в стороны, могло служить лишь то, что в скоплении — в сотни раз больше материи, чем можно было увидеть в телескоп. Либо законы Ньютона действовали как-то неверно на межгалактических расстояниях, либо существовало огромное количество невидимой материи в скоплении Кома, которая не давала ему распасться.

Это стало первым свидетельством в истории, что чего-то крайне недоставало в отношении распространения материи по Вселенной. К несчастью, астрономы во всем мире либо не заметили пионерскую работу Цвикки, либо дружно отвергли его выводы по нескольким причинам.

Первая из них заключалась в том, что астрономы не склонны были верить в то, что теория гравитации Ньютона, занимавшая ведущее положение в физике на протяжении нескольких веков, может быть неправильной. Уже существовал прецедент такого кризиса в астрономии. Во время исследования орбиты Урана в ХГХ ст. было обнаружено, что она раскачивается — очень немного, но отклоняясь от уравнений Исаака Ньютона. Так что либо Ньютон ошибался, либо должна была существовать новая планета, чья гравитация воздействовала на Уран. Именно второе предположение оказалось верным, и при первой же попытке, совершенной в 1846 году при анализе предполагаемого положения планеты согласно законам Ньютона, была обнаружена планета Нептун.

Во-вторых, существовала такая проблема, как личность самого Цвикки и то, как астрономы относились к «аутсайдерам». Цвикки был фантазером, на протяжении жизни над ним часто смеялись или просто не обращали на него внимания. В 1933 году вместе с Вальтером Бааде он придумал термин «сверхновая звезда» и предсказал, что после взрыва останется крошечная нейтронная звезда около 22 км в поперечнике. Эта идея показалась всем настолько абсурдной, что ее 19 января 1943 года даже высмеяли в комиксе на страницах «Лос-Анджелес тайме». Цвикки страшно обозлился на маленькую элитарную группу астрономов, которые, как он думал, отказывали ему в признании, крали его идеи и не давали ему времени для наблюдений на 250-сантиметровом и 500-сантиметровом телескопах. (Незадолго до своей смерти в 1974 году Цвикки на собственные средства опубликовал каталог галактик. Каталог открывался заголовком «Напоминание корифеям американской астрономии и их подхалимам». В очерке была яростная критика узкой, закоренелой в своих традиционных взглядах элиты астрономов, которые стремились изо всех сил препятствовать работе таких независимых астрономов, как он сам. «Сегодняшние подхалимы и самые настоящие воры, особенно в Американском астрономическом обществе, кажется, совершенно свободно присваивают открытия и изобретения, сделанные волками-одиночками и инакомыслящими», — писал он. Пвикки назвал этих людей «сферическими ублюдками», потому что «они ублюдки, с какой стороны на них ни глянь». Он был разъярен, потому что его обошли вниманием и Нобелевскую премию за открытие нейтронной звезды дали кому-то другому.)

В 1962 году астроном Вера Рубин заново открыла любопытную проблему галактического движения. Она изучала вращение Галактики Млечный Путь и столкнулась с той же самой проблемой: астрономическое сообщество не приняло ее выводы. Обычно, чем дальше от Солнца находится планета, тем медленнее она вращается. Чем ближе, тем быстрее она вращается. Именно поэтому Меркурий назван по имени бога скорости — он располагается очень близко к Солнцу, и именно поэтому скорость Плутона в 10 раз меньше скорости Меркурия — Плутон располагается дальше всех планет от Солнца. Однако когда Вера Рубин внимательно изучила голубые звезды нашей Галактики, она обнаружила, что звезды вращаются с неизменной скоростью, вне зависимости от расстояния до центра Галактики (плоского вращающегося диска), тем самым нарушая принципы механики Ньютона. По сути, она обнаружила, что Галактика Млечный Путь вращалась настолько быстро, что, по справедливости, ее звезды должны бы были разлететься в разные стороны. Но Галактика пребывала во вполне устойчивом состоянии на протяжении приблизительно 10 млрд лет; оставалось загадкой, почему ее вращающийся диск плоский. Чтобы — не развалиться, она должна бы быть в 10 раз тяжелее, чем считали ученые в то время. Было очевидно, что не учтено 90 % массы всей Галактики!

Работу Веры Рубин проигнорировали, может быть, потому, что автором ее была женщина. С некоторой болью Рубин вспоминала, что, когда она поступала в колледж на специальность «естественные науки» и случайно обмолвилась преподавателю в приемной комиссии, что ей нравится рисовать, тот спросил: «А вы никогда не рассматривали возможность сделать карьеру, делая зарисовки астрономических объектов?» Она писала: «Это стало ключевой фразой у нас в семье: на протяжении многих лет, когда что-то у кого-то из родственников шло не так, мы говорили: 'А вы никогда не рассматривали возможность сделать карьеру, делая зарисовки астрономических объектов?" Когда Вера сказала своему школьному преподавателю физики, что ее приняли в Вассарский колледж, тот ответил: «У тебя все получится, только держись подальше от науки». Позднее она вспоминала: «Необходима невероятно высокая самооценка, чтобы выслушивать подобные вещи и не сломаться».

По окончании учебы Рубин подала заявление о принятии ее на вакантную должность преподавателя в Гарвард, и ее приняли, но она отказалась, потому что вышла замуж и уехала вместе с мужем-химиком в Корнелл. (Она получила ответ из Гарварда, где внизу были от руки приписаны следующие слова: «Черт побери этих женщин! Каждый раз, как я нахожу то, что нужно, они уезжают и выходят замуж».) Недавно она приняла участие в астрономической конференции в Японии, где была единственной женщиной. «Я, правда, долгое время не могла об этом рассказывать без слез, потому что, конечно, за одно поколение… немногое изменилось», — признавалась Вера Рубин.

Тем не менее несомненная значимость ее работы, а также работы других ученых постепенно начали убеждать астрономическое сообщество в существовании проблемы «отсутствующей» массы. К 1978 году Вера Рубин и ее коллеги тщательно изучили вращение 11 галактик; все они вращались слишком быстро, чтобы законы Ньютона позволили им оставаться единым целым. В том же году голландский радиоастроном Альберт Бозма опубликовал самый подробный анализ десятков спиральных галактик: почти все они демонстрировали то же самое аномальное поведение. Казалось, что это наконец убедило астрономическое сообщество в существовании темного вещества.

Простейшим решением этой удручающей проблемы было предположение, что галактики окружены невидимым ореолом, который содержит в себе в 10 раз больше вещества, чем звезды. С тех пор появились более совершенные приборы для определения наличия этой «темной» материи. Одной из наиболее впечатляющих является возможность измерения искривления звездного света при его прохождении сквозь невидимое вещество. Подобно линзе очков, темная материя может преломлять свет (благодаря своей невероятной массе, а следовательно, и силе гравитации). Недавно при тщательном компьютерном анализе фотографий, сделанных при помощи космического телескопа Хаббла, ученые смогли создать карту распределения темной материи во Вселенной.

И сейчас продолжаются ожесточенные споры о том, из чего состоит темная материя. Некоторые ученые считают, что она может состоять из обычного вещества, которое просто плохо различимо (то есть из коричневых звезд-карликов, нейтронных звезд, черных дыр и так далее, которые практически невидимы). Такие объекты рассматриваются в целом как «барионное вещество», то есть вещество, состоящее из известных барионов (таких, как нейтроны и протоны). Все вместе они называются МАСНО (сокращение, обозначающее «массивные компактные объекты гало»).

Другие считают, что, возможно, темная материя состоит из очень горячего небарионного вещества, такого, как нейтрино (его так и называют — горячим темным веществом). Однако нейтрино движутся настолько быстро, что на их счет нельзя списывать все скопление темной материи в галактиках, наблюдаемое в природе. Третьи опускают руки и считают, что темная материя представляет собой принципиально новый вид вещества, называемого «холодное темное вещество», или WIMPS («слабо взаимодействующие массивные частицы»), и, пожалуй, это лучшая «кандидатура» для объяснения темной материи.

Спутник СОВЕ

При помощи обычного телескопа, рабочей лошадки астрономии еще со времен Галилея, видимо, невозможно разрешить загадку темной материи. Астрономия продвинулась очень далеко, используя обычные оптические средства, имеющиеся на Земле. Однако в 1990-е годы появилось новое поколение астрономических приборов, сконструированных с использованием новейших спутниковых технологий, лазеров и компьютеров, которые полностью изменили лицо космологии.

Одним из первых плодов богатого урожая стал спутник СОВЕ (космический аппарат для изучения реликтового излучения), запущенный в ноябре 1989 года. Если работа Пензиаса и Вильсона подтвердила лишь некоторые данные, вписывающиеся в теорию Большого Взрыва, спутник СОВЕ измерил множество параметров, которые в точности соответствовали прогнозам Гамова и его сотрудников, выдвинутым в 1948 году, об излучении абсолютно черных тел.

В 1998 году на собрании Американского астрономического общества 1500 ученых внезапно вскочили и разразились бурными аплодисментами при виде фотографий, сделанных спутником СОВЕ, которые практически полностью согласовывались с тем фактом, что температура микроволнового реликтового излучения составляет 2,728° К.

Принстонский астроном Джереми Острайкер заметил: «Когда были обнаружены окаменелости в скалах, это совершенно четко обозначило происхождение видов. Что ж, спутник СОВЕ нашел окаменелости [Вселенной]».

Однако фотографии, сделанные со спутника СОВЕ, были довольно размытыми. Например, ученые хотели проанализировать «горячие точки», или флуктуации космического фонового излучения, флуктуации, которые должны были составлять около одного градуса в поперечнике. Но оборудование спутника СОВЕ было способно уловить флуктуации только семи и более градусов в поперечнике, оно не было достаточно чувствительным, чтобы обнаружить эти маленькие горячие точки. Ученые были вынуждены ждать результатов работы спутника WMAP, запуск которого ожидался в начале века; они надеялись, что новые данные помогут разрешить массу вопросов и загадок.