Космос. Иллюстрированная история астрономии и космологии - Джон Норт

Эйнштейном. Некоторые идеи, выдвинутые Германом Вейлем, Эддингтоном и Дираком, имели совсем другую тенденцию; первые две появились в 1930 г., а идея Дирака – в 1937–1938 гг. Как многие считали, их главный посыл заключался в том, что космологические наблюдения избыточны, и все необходимое можно получить из физических констант. Например, все безразмерные константы (только численные значения), полученные через определенную последовательность умножений, делений и возведения в степень физических постоянных, таких как масса протона, заряд электрона и т. д., как полагал Эддингтон, имеют почти одинаковые значения, равные примерно 1079. Он считал, что это огромное число равно количеству частиц во Вселенной. Монументальное исследование Эддингтона, в котором излагались эти идеи, вышло под названием «Фундаментальная теория» под редакцией Уиттекера (хотя и по записям, оставленным самим Эддингтоном) в 1946 г., спустя два года после его смерти. Это заронило в души некоторых космологов смутное подозрение, что физика очень малых масштабов и физика космоса могут быть связаны друг с другом нумерологически, но большинство из них попросту проигнорировали данный факт. На первых порах Эддингтон действительно утверждал, что ему удалось вывести «постоянную Хаббла», близкую к величине, полученной самим Хабблом. Когда возникла потребность в пересмотре этой эмпирической величины, что, казалось бы, должно было привести к опровержению его методики, удалось обнаружить допущенную им ошибку, и искомая константа на самом деле оказалась очень близкой к исправленному значению. Однако последующие ревизии исключили возможность сохранения этого равенства.

В краткосрочной перспективе гораздо большее значение для наблюдательной космологии имела не завораживающая магия чисел Эддингтона, а непрерывная работа по выводу теоретических соотношений между наблюдаемыми количественными данными, ведущаяся такими специалистами, как Толмен, Маккри, Маквитти, Отто Гекман и другие. Теоретически использование этих соотношений – между видимой звездной величиной и красным смещением, между видимой звездной величиной и размерами галактик и т. д. – позволяло подвергнуть наблюдательной проверке различные космологические модели. Но практическая реализация этого замысла была отложена из‐за начала Второй мировой войны.

СОТВОРЕНИЕ МАТЕРИИ

В 1918 и 1925 гг. для преодоления парадокса темного ночного неба У. Д. Макмиллан выдвинул идею, согласно которой излучение, распространяющееся в пустом пространстве, может неожиданно исчезнуть, а затем возродиться в виде атомов водорода. Как полагал Р. Э. Милликен, пионер в изучении космического излучения и коллега Макмиллана по Чикагскому университету, это может служить объяснением происхождения космических лучей. Данную идею вскоре опроверг А. Х. Комптон. В том, что в этой теории говорилось о «сотворении» атомов, не было ничего особенно необычного, поскольку в ней присутствовал источник энергии, благодаря которому это могло случиться. Толмен и другие специалисты также рассматривали превращение излучения в материю, и сначала то, что он написал, не привлекло серьезного внимания к его подходу.

Однако нашлись и другие специалисты, чьи догадки по поводу сотворения материи оказались гораздо более радикальными. В 1928 г. Джеймс Джинс, пытаясь объяснить спиральную форму туманностей, высказал предположение, что центральные части туманностей могут являться тем местом, где материя «вливается в нашу вселенную из какого-то другого, абсолютно чуждого нам пространственного измерения». Следовательно, добавлял он, нам они будут казаться «точками непрекращающегося порождения материи». Позже Милн отметил, что его кинематическая теория относительности подтверждает теоретические рассуждения Джинса.

Когда в 1937 г. кембриджский физик П. А. М. Дирак позаимствовал у Эддингтона несколько упомянутых выше идей, он был вынужден признать, что большие числа, встречающиеся в теории Эддингтона (если считать их пропорциональными эпохам), должны увеличиваться с течением времени. «Возраст Вселенной» является физической «константой» особого типа, поскольку он, несомненно, увеличивается с течением времени, однако он отнюдь не является безразмерной величиной. Его можно сделать таким, поделив на какое-либо фундаментальное физическое время, каким является, например, планковское время. (Его численное значение – 10–43 секунды – может рассматриваться как своего рода атом времени.) Дирак полагал, что количество протонов и нейтронов во Вселенной, зависевшее в теории Эддингтона от эпохи, могло, таким образом, увеличиваться с течением времени (с учетом их непрерывного порождения), и гравитационная постоянная, соответственно, тоже могла меняться. Примерно в тот же период в Японии некоторые специалисты в области математической физики, представлявшие Хиросимскую школу, где подробно изучалась модель де Ситтера, также утверждали, что количество частиц должно увеличиваться со временем. В Германии Паскуаль Йордан продолжив работу, начатую Дираком, пришел к выводу: звезды в стадии сверхновой и даже целые галактики могут представлять собой материю в процессе ее порождения. Он считал, что Дирак, по всей вероятности, боялся нарушить закон сохранения энергии и поэтому с особой тщательностью анализировал возможные источники рождения новой материи. По его словам, это было связано с ослаблением гравитационной энергии во Вселенной.

Несмотря на тот факт, что авторы этих теорий являлись высококлассными специалистами в области фундаментальной физики, в тот период их теоретические рассуждения не привлекли почти никакого внимания; возможно, по причине того, что их высказывания на этот счет не пылали особым воодушевлением, к тому же они казались в высшей степени нереалистичными. Вскоре Дирак отрекся от своей идеи, но Йордан самоотверженно отстаивал ее вплоть до 1950‐х гг. Концепция непрерывного порождения не привлекала пристального внимания широкой аудитории вплоть до послевоенного периода, когда Герман Бонди, Томас Голд и Фред Хойл включили ее в новую космологическую теорию или, скорее, в целый класс теорий. К этому времени подходы к изучению Вселенной существенно отличались от тех, что были разработаны в 1920‐х и 1930‐х гг. Устаревшее представление о ее в целом статичном состоянии оказалось практически полностью отброшенным, и воцарилось почти единодушное согласие в том, что красное смещение является показателем реального расширения системы галактик. Шаг за шагом в этот процесс вовлекалось все большее и большее количество физиков, и это осложняло попытки возражений со стороны оставшихся упрямцев.

У нас еще будет возможность убедиться в том, что к тому времени Леметр, Гамов и другие продемонстрировали наличие у космологии всего необходимого для объяснения происхождения химических элементов. Когда Эддингтон писал свою работу о строении звезд, он почти не уделял внимания важной роли водорода и гелия, но уже после него Маккри разработал первую работающую модель большой водородной звезды. Бонди и Голд, приехавшие в Британию из оккупированной нацистами Австрии, были введены в курс некоторых астрофизических проблем Хойлом – сначала во время войны, когда все трое работали в военно-морском ведомстве, а затем в Кембридже, где они продолжили сотрудничество, особенно начиная с 1948 г. Их не удовлетворяла модель Леметра, решавшая, на первый взгляд, проблему столь сильно заниженного значения «возраста Вселенной», полученного некоторое время спустя из работы Хаббла, но только с помощью легкой подтасовки, то есть – постулированием неопределенной продолжительности «периода стагнации» (см. ил. 234 выше). У Голда возникла идея: если допустить существование процесса непрерывного рождения материи, то возникнет вероятность того, что Вселенная будет продолжать оставаться в стационарном состоянии, несмотря на общее расширение, в результате чего проблема «возраста Вселенной» просто перестанет быть актуальной. Бытует мнение, что эти три джентльмена пришли к такой идее после совместного просмотра фильма под названием «Глубокой ночью», который завершается повтором первой сцены.

С этого момента Бонди и Голд двинулись в одном направлении, а Хойл – в другом, хотя многие их идеи обладали очевидным сходством. Бонди и Голд преподносили свою работу как следствие одного из основных законов, названного ими «совершенным космологическим принципом»; согласно этому принципу, Вселенная всегда «остается стационарной в больших масштабах». До этого Милн (влияние его работ очевидно ощущается в этом утверждении) разрабатывал «космологический принцип», в котором постулировался не зависимый от места наблюдения вид крупномасштабной Вселенной; теперь же утверждалось, что и время наблюдения