Космос. Иллюстрированная история астрономии и космологии - Джон Норт

В 1946 г. Гамов более тщательно рассмотрел проблему выбора подходящей космологии и нашел массу несоответствий. Прежде всего, как он обнаружил, общепринятое значение начальной скорости расширения слишком велико, чтобы состояние равновесия смогло хоть когда-нибудь реализоваться. Однако в том же самом году Ральф Ашер Альфер начал развивать эти идеи под его руководством в своей докторской диссертации в Университете Джорджа Вашингтона. Важнейшая часть исследования Альфера требовала знания скоростей протекания термоядерных реакций, однако в то время информация о таких вещах имела важное оборонное значение, а потому была засекречена. И все же, по счастливому стечению обстоятельств, Дональд Джеймс Хьюз – физик-ядерщик, работавший до переезда в Брукхейвен (Нью-Йорк) в Манхэттенском проекте, где он изучал разнообразные элементы на предмет их использования в ядерных реакторах, опубликовал эти данные, благодаря чему они стали доступны для Альфера. Выяснилось, что вероятность захвата нейтронов растет с уменьшением относительного количества элементов. (Для атомных масс примерно до 100 наблюдалось экспоненциальное падение распространенности элементов, после чего она оставалась почти постоянной.) На основании этого Альфер разработал «модель нейтронного захвата» для нуклеосинтеза на ранних стадиях существования Вселенной и в 1948 г. представил полученные результаты в виде диссертации. Он обратил особое внимание на несколько проблем, оставшихся без ответа. Прежде всего, несмотря на то что его модель сумела объяснить плотность вещества в расширяющейся Вселенной, плотность излучения в ней имела чрезвычайно завышенное значение.

Это произошло в тот период, когда Альфер и Гамов объединили свои усилия с Робертом Херманом, который достиг глубоких знаний в очень широком спектре физических проблем – как теоретических, так и экспериментальных. Когда после окончания войны Гамов и Альфер решили обратиться к Херману, чтобы доработать модель Альфера, он был сотрудником Лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса и работал в области физики конденсированных сред. В 1948 г. они опубликовали статью в ведущем издании Physical Review, которая занимала всего одну страницу и представляла собой не столько законченную работу, сколько программу для дальнейших исследований. Шутки ради ее подписали тремя именами – Альфер, Бете и Гамов, что соответствовало буквам греческого алфавита α, β, γ. (Бете имел весьма отдаленное отношение ко всему этому, и, как говорят, Херман был исключен из этого списка шутником Гамовым, поскольку отказался поменять свое имя на Дельта.) В ней говорилось, что все существенные ядерные процессы имели место уже в течение первого часа расширения. После объяснения того, как проходил процесс нуклеосинтеза, Гамов и Альфер рассчитали наиболее правдоподобные варианты распространенности элементов и предсказали, что гелий должен составлять примерно 25 процентов массы Вселенной. Это было замечательным достижением, подтвержденным дальнейшими наблюдениями. Однако авторы не произвели детального расчета распространенности легких элементов и не учли преобладания плотности излучения на ранних стадиях расширения Вселенной.

Работа αβγ породила целую серию похожих количественных исследований, образовавших смычку между новой физикой элементарных частиц и ранними геометрическими моделями Вселенной; в некоторых таких исследованиях в качестве отправной точки выбиралась модель Леметра. Теперь, по прошествии времени, можно сказать, что в том же году, но чуть позже, Альфер и Херман добились одного из наиболее впечатляющих достижений. В предыдущей статье Гамов привел обоснование прохождения молодой Вселенной через стадию «момента расщепления», в ходе которой фаза преобладания излучения сменилась фазой преобладания вещества, и Вселенная стала прозрачна для излучения. Изучив последствия такого расщепления, Альфер и Херман высказали предположение, что излучение, сохранившееся на ранней стадии Вселенной, все еще существует и его современная температура должна составлять примерно 5 K. Позже, в 1965 г., это излучение было зарегистрировано А. А. Пензиасом и Р. В. Уилсоном. Тот факт, что это событие часто описывается как одно из двух наиболее весомых космологических открытий истекшего столетия, придает указанному прогнозу дополнительную значимость.

Наконец, есть пара терминологических вопросов. Как мы уже видели, понятие Первичного атома Леметра не вполне соответствовало изначальному состоянию вещества, каким оно рисовалось Гамову с коллегами, тем более что у последних оно несколько раз менялось. Если не вдаваться в подробности, то у Леметра это был ядерный флюид умеренной температуры, а у Гамова и КО – горячее, плотное и газообразное состояние Вселенной, в состав которой входили нейтроны, протоны и электроны, плавающие в океане излучения. Альфер обозначил его термином «Илем» – словом со спорной историей. Сегодня его часто пишут как «Йельм», что вполне для него подходит, поскольку оно было впервые употреблено в строках английского поэта XIV в. Джона Гауэра, который воспользовался аристотелевским греческим термином hyle (вещество, субстанция, в отличие от формы), записав его в винительном падеже. («Эту вездесущую материю нарекают особым словом Илем».) Альфер открыто признавался в том, что обнаружил это слово в «Новом словаре иностранных слов» Уэбстера, где оно характеризовалось как «изначальная субстанция, из которой возникли элементы», и добавлял: «Крайне желательно возродить это слово со столь подходящим смыслом». При этом он совершенно упускал из виду, что Аристотель использовал его лишь для разграничения понятия материи и формы, хотя, с другой стороны, это ведь было так давно.

Упомянутое разграничение понятий Первичного атома и Илема перестало быть актуальным после появления словосочетания «Большой взрыв», которое стало без разбора применяться к любой теории, где предполагалось, что мир неожиданно возник из какого-то первичного состояния. Как мы уже видели, последнее выражение появилось в 1949 г. благодаря Фреду Хойлу в ходе радиопередачи, где он защищал собственную стационарную теорию. (Можно только гадать о том, читал ли он Эддингтона, который писал в 1928 г.: «Я просто не верю, что современный миропорядок мог возникнуть в результате взрыва».) Подобно другим уничижительным названиям, как, например, «Квакер» или «Методист», сегодня это выражение используется в том числе самими сторонниками подобного рода теорий, причем в данном случае сторонниками самых разных направлений. В каком-то смысле это весьма прискорбно, поскольку рождает у некоторых людей склонность к изображению релятивистских теорий Большого взрыва в категориях Первичного атома, Илема, огненного шара или чего-либо еще, что взрывается, выбрасывая себя в наружный мир, который мыслится как пустое пространство. Как мы видели, в космологиях, основанных на общей теории относительности Эйнштейна, взрывается само пространство вместе с содержащейся в нем материей – как тесто с изюмом, если вспомнить уже употреблявшуюся аналогию.

БАТАЛИИ ВОКРУГ РАСПРОСТРАНЕННОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ

Идея о том, что существует некое более или менее постоянное и универсальное соотношение, отражающее распространенность химических элементов с небольшими локальными отклонениями в ту или иную сторону, восходит к Харкинсу, Пейн и некоторым другим авторам. Она послужила стимулом Гамову с коллегами в их стремлении показать, что все химические элементы возникли на ранней стадии горячей Вселенной, когда температура и давление были достаточно высоки для повсеместного нуклеосинтеза. К 1940‐м гг. многие специалисты фактически принимали за аксиому невозможность синтеза химических элементов в недрах звезд. Почти в одно время с выходом работы Гамова в 1935 г., где он все еще надеялся найти решение для звезд, удалось открыть небольшое количество звезд, слегка пошатнувшее эту общую уверенность. Шел 1935 г., когда Уолтер Сидни Адамс, сын американских миссионеров, рожденный в Сирии, ставший впоследствии директором обсерватории Маунт-Вилсон, обнаружил вместе со своими коллегами «промежуточные белые карлики» с водородным линейчатым спектром непонятного типа, казавшегося абсолютно необъяснимым. (Современное название этих звезд – «субкарлики» – предложено в 1939 г. Джерардом Петером Койпером.) В 1946 г. мексиканские астрономы Луис Ривера Терразас и Луис Мунк обнаружили еще