2020-08-05
145
Тем временем центр внимания космической физики сместился с общей теории относительности на ядерную физику. Ученые начали осознавать, что, если Вселенная расширяется, в прошлом она должна была представлять собой очень маленький, горячий и плотный объект, где главенствующую роль играли ядерные реакции. Жорж Леметр, возможно, был первым, кто понял это. Однако его предположение, что первичное сверхъядро распалось в ходе ядерных реакций, образовав Вселенную, какой мы ее знаем сегодня, было чистой воды спекуляцией и не имело под собой каких-либо эмпирических или теоретических оснований.
Как следствие, мало кто из ученых того времени принял эту идею всерьез. В чем заключается настоящий вклад Леметра, так это в предложенном им космологическом решении общей теории относительности для расширяющейся Вселенной. Теперь его называют решением Фридмана — Леметра, поскольку оно содержалось также в уравнениях Фридмана. Сама модель получила название модели Эддингтона — Леметра, поскольку Эддингтон усовершенствовал ее.
В любом случае Леметр представлял Вселенную конечной, зародившейся в определенный момент. Хотя не исключено, что такое представление было продиктовано его религиозной верой в Творца, как уже упоминалось ранее, он никогда не основывал свою аргументацию на богословии и, более того, противился такой трактовке.
В то же время, как мы узнали из главы 8, Эддингтон находил мысль о начале Вселенной невыносимой. В его представлении Вселенная расширялась, однако была вечной, и большинство физиков тех времен были склонны согласиться с этим. Что же касается астрономов-наблюдателей, то они особо не отвлекались от телескопов.
Леметр продолжал развивать свою модель, осознавая, что ее нужно сделать экспериментально проверяемой. Он понимал, что, если Вселенная когда-то была горячей, плотной и радиоактивной, должны были сохраниться следы этого излучения, которые, вероятно, можно увидеть и сегодня. Однако он не считал, что это излучение должно быть электромагнитным, то есть потоком фотонов, предполагая, что оно должно состоять из заряженных частиц. Большинство физиков опять-таки сомневались в этом, хотя Эйнштейн высказал к его идее легкий интерес. Но у них просто не было данных, подтверждающих это{160}.
Более того, одна из основных проблем гипотезы конечной Вселенной заключалась в том временном сроке, на который указывали данные. Согласно закону Хаббла, возраст Вселенной обратно пропорционален постоянной Хаббла. В результате получалось, что он составляет 2 млрд. лет — меньше, чем возраст Земли, рассчитанный на основании данных геологии и ядерной физики. Это может показаться удивительным, но Хаббл сам ставил под сомнение расширение Вселенной, которое в итоге принесло ему мировую славу. Он писал: «Не удается обнаружить каких-либо явлений — факторов разбегания галактик, — свидетельствующих о расширении Вселенной. Имеющиеся данные все еще склоняют нас скорее в сторону статической, нежели быстро расширяющейся модели Вселенной»{161}.
Однако предположение, что возраст Вселенной Т = 1/Н, основано на нулевой космологической постоянной. Модель Леметра включала космологическую постоянную и допускала более солидный возраст Вселенной. К сожалению, Эйнштейн отрекся от своей космологической постоянной и не стал продолжать работу над ней{162}.
Вплоть до этого периода, до конца 1930-х годов, физика фигурировала в теоретической космологии только на уровне общей теории относительности. Первозданный атом Леметра был преимущественно спекулятивной гипотезой с осторожными попытками разработать количественную модель. Но в 1938–1939 годах произошел великий прорыв, когда немецкие физики Ханс Бете (работавший в США) и Карл Фридрих фон Вайцзеккер независимо друг от друга предположили, что энергия звезд вырабатывается путем ядерного синтеза. Процесс, предложенный Бете, был чрезвычайно простым. Четыре протона объединяются в атом гелия вследствие серии парных столкновений, включающих только фундаментальные частицы: протоны, нейтроны, электроны, фотоны и, как мы знаем теперь, нейтрино. Механизм, предложенный Вайцзеккером, был значительно сложнее и включал изотопы углерода, кислорода и азота{163}.
Вайцзеккер также предположил, что с помощью этой теории можно объяснить формирование химических элементов{164}. Однако его модель не давала приемлемого объяснения распространенности элементов в космосе{165}. Но все же физики-ядерщики были достаточно заинтригованы для того, чтобы подключиться к работе по исследованию космоса.
Илем
Большой шаг в сторону укрепления позиций модели Большого взрыва сделал Георгий Гамов, российско-украинский физик, эмигрировавший в США{166}. В 1924 году Гамов прослушал курс лекций Александра Фридмана под названием «Математические основы теории относительности», который тот читал в Ленинграде. Гамов хотел обучаться под руководством Фридмана, но, к сожалению, ученый умер всего год спустя, будучи совсем молодым.
Получив в Геттингене докторскую степень по квантовой теории (он защитил работу по теории атомного ядра), Гамов работал в Копенгагене с Нильсом Бором, затем в Кембридже с Эрнестом Резерфордом, а в 1931 году, в возрасте 28 лет, стал членом-корреспондентом Академии наук СССР. Среди множества его достижений в ядерной физике — количественное доказательство того, что альфа-распад (поток ядер гелия, называемых альфа-частицами) объясняется туннельным эффектом. Этот процесс важен также для реакций термоядерного синтеза, протекающих в звездах. Как мы выясним позже, космологи признали, что этот сугубо квантово-механический процесс мог лежать в основе возникновения нашей Вселенной.
В 1934 году Гамов уехал в США, где работал с Эдвардом Теллером в Университете Джорджа Вашингтона, в городе Вашингтоне. Во время Второй мировой войны Теллер переключился на работу в Манхэттенском проекте. Однако Гамова к работе над атомной бомбой не допустили, поскольку в СССР он получил офицерское звание, необходимое, чтобы преподавать в военной академии. Он остался в Вашингтоне и стал консультантом Военно-морского ведомства США. После войны Гамова допустили к ядерным исследованиям, проводимым в Лос-Аламосе{167}.
Гамов, который продолжал работу в области ядерной физики, проявляя все возрастающий интерес к астрофизике, получил известность также как автор научно-популярных бестселлеров, в том числе «Раз, два, три… бесконечность», «Рождение и смерть Солнца», «Мистер Томпкинс в стране чудес» (в шести томах) и многих других. Будучи подростком, я с жадностью глотал эти книги, и они, без сомнения, повлияли на мое решение стать физиком. Вот еще одно подтверждение невероятной гениальности Гамова: до аспирантуры он даже не говорил по-английски.
В 1948 году Гамов, Ральф Альфер и Ханс Бете опубликовали в журнале Physical Review короткое письмо под названием «Происхождение химических элементов», в котором вернулись к идее о том, что ядра элементов таблицы Менделеева возникли на начальных этапах формирования Вселенной{168}. Бете включили в соавторы, чтобы статью можно было называть «Альфер, Бете и Гамов». Однако Бете, не будучи непосредственным автором работы, все же внес в ее создание существенный вклад. На Леметра и Вайцзеккера авторы статьи не ссылаются.
Альфер, Бете и Гамов предположили, что вначале существовало компактное ядро первичной, очень плотной и горячей субстанции, состоящей из нейтронов, которую они назвали «илем» (ylem). В ходе бета-распада часть нейтронов превратилась в протоны, испустив при этом электроны и, как мы теперь знаем, антинейтрино электронные, устремившиеся прочь из этого сплава частиц.
Затем в процессе воссоединения протонов и нейтронов, называемом нейтронным захватом, образуются химические элементы. В результате этой реакции к смеси добавляются фотоны. Таким образом, протон и нейтрон соединяются, образуя дейтрон (ядро атома водорода с двумя нейтронами). Если добавить к нему еще один нейтрон, получится тритон (ядро водорода с тремя нейтронами). Тритон и протон или два дейтрона могут объединиться в ядро гелия, высвободив при этом большое количество энергии.
Попутно замечу, что попытки осуществить управляемый ядерный синтез основываются именно на этих реакциях, которые требуют более низких температур, нежели процессы, происходящие в недрах звезд. Но даже в этом случае температура невероятно высока, порядка 100 млн. градусов, и, несмотря на более чем 50 лет попыток, этот источник энергии все еще недоступен для нас.
Гамов и его коллеги полагали, что на ранних этапах жизни Вселенной в ходе серии ядерных реакций образовалась вся периодическая таблица химических элементов. Но, несмотря на все их усилия, выходило, что этот процесс не будет идти дальше. Если добавить нейтрон к ядру гелия, стабильного ядра из пяти нуклонов не образуется. Соединение двух ядер гелия также не дает в результате стабильного ядра из восьми нуклонов.
Как мы вскоре узнаем, позже Фред Хойл с коллегами смогли доказать, что более тяжелые ядра образуются в недрах звезд в процессе так называемого звездного нуклеосинтеза. Первым высказал догадку о существовании этого процесса Артур Эддингтон, его изучал также Ханс Бете. Когда выяснилось, что первичный нуклеосинтез Гамова не объясняет формирование всех элементов периодической таблицы, теорию Большого взрыва вновь стали воспринимать скептически.
Однако модель Альфера — Бете — Гамова, в которую внес вклад и Ральф Герман, имела другие последствия, описанные в примечательной работе Альфера и Германа, опубликованной в 1949 году. Скорость реакций, о которых идет речь, превышает скорость расширения Вселенной, заданной параметром Хаббла, Н, в степени, достаточной для того, чтобы в плазме взаимодействующих частиц установилось квазитепловое равновесие с медленно понижающейся температурой. По оценке Альфера и Германа температура Вселенной во время, «когда процессы нейтронного захвата стали иметь значение», достигала порядка 600 млн. градусов[14]. Фотоны в то время входили в смесь частиц. Исходя из теории расширяющейся Вселенной, они рассчитали, что к настоящему времени эта температура должна опуститься до «порядка 5 К», то есть 5 Кельвинов{169}.
Хоть и не совсем явно, Альфер и Герман высказали прогноз, который потряс весь мир: Вселенная должна быть наполнена тепловым излучением, то есть излучением, соответствующим спектру черного тела при 5 К, которое лежит в микроволновом диапазоне. Это касается только фотонов, которые, в отличие от материи, сохраняли состояние теплового равновесия по мере расширения Вселенной. Пик спектра излучения черного тела при температуре 5 К приходится на длину волны примерно 1 м. Для сравнения: пик оптического спектра Солнца (5000 К) приходится на длину волны 550 миллиардных метра.
Этот прогноз не вызвал никакого интереса у физиков и астрономов, вероятно, потому, что был тесно связан с механизмом первичного нуклеосинтеза, который мог объяснить появление только первых двух элементов таблицы Менделеева.
Кроме того, все еще стояла проблема парадокса возраста Вселенной. Поэтому о Большом взрыве снова забыли. Вопреки энтузиазму папы Пия XII за 10 лет, прошедших после 1953 года, была опубликована только одна работа по теории Большого взрыва{170}. Ее место заняла модель вечной и неизменной Вселенной, привлекавшая куда больше внимания, чем следовало бы, возможно, из-за большого авторитета ее создателей.
