Журнал «Компьютерра» № 9 от 7 марта 2006 года

Наука: Биг Бэнг в человеческой перспективе

Автор: Алексей Левин

Сейчас все знают — или считают, что знают, — что наша Вселенная возникла примерно 13 миллиардов 700 миллионов лет назад в результате события, которое принято называть Биг Бэнгом, или Большим Взрывом. Его природа до сих пор является предметом дискуссий. Однако практически все специалисты придерживаются мнения, что зародышем Вселенной стала квантовая сингулярность, которая дала начало и пространству, и времени, и материи. Физические детали этого процесса, как надежно установленные, так и гипотетические, излагаются в сотнях и тысячах популярных книг и статей.

Но что бы ни было причиной Биг Бэнга, науку о нем создавали не боги, а люди. Она рождалась и шлифовалась в ходе трудных, подчас ожесточенных дискуссий между талантливейшими исследователями, которые ломали копья в попытках понять истоки мироздания. «Человеческая сторона» появления теории Большого Взрыва известна куда хуже, нежели ее физическое содержание. Не претендуя на полноту, я хотел бы рассказать о некоторых персонажах этой драмы.

Первую версию теории Большого Взрыва в 1927 г. сформулировал бельгиец Леметр. Правда, пятью годами ранее петербуржец Александр Фридман нашел нестатичные решения уравнений общей теории относительности, которые описывали пульсирующие миры, возникающие из первичной точечной сингулярности. А в 1924 г. он получил решения другого типа, отвечающие вечному расширению Вселенной. Однако Фридман и по образованию, и по стилю научного мышления был прежде всего математиком. Поэтому он не довел свои вычисления до конкретной модели, предлагающей физическую картину рождения Вселенной. Так что его можно считать предтечей космологии Биг Бэнга, но не отцом-основателем. Этот титул, без сомнения, принадлежит Леметру.

Жорж-Анри Леметр (Georges-Henri Lemaitre) был весьма неординарным человеком. Он окончил иезуитскую школу, затем поступил на инженерный факультет Католического университета в Лувене. Первую мировую от звонка до звонка отмотал на фронте артиллеристом, заслужил Военный крест с пальмовыми ветвями. После демобилизации вернулся в университет, но изучал уже не технику, а точные науки, специализируясь на математике (руководителем его дипломной работы был известный специалист по теории функций и теории чисел Шарль де ла Валле-Пуссен [Charles de la Vallee-Poussin]). Защитив диссертацию, поступил в духовную семинарию и в 1923 г. стал священником. Попутно заинтересовался общей теорией относительности и после принятия сана посвятил четыре года изучению астрофизики, сначала в Кембридже, потом в Массачусетском технологическом институте. В Штатах ознакомился с новейшими и еще далекими от полноты результатами измерений галактического красного смещения и галактических расстояний, выполненных в Калифорнии Эдвином Хабблом (Edwin Hubble) вместе с Милтоном Хьюмасоном (Milton Humason). Эти данные позволяли предположить, что галактики разбегаются по всем направлениям, причем их радиальная скорость примерно пропорциональна удаленности от Солнечной системы. Это утверждение составляет знаменитый закон Хаббла, который был окончательно сформулирован и опубликован лишь в 1929 г. Тем более примечательно, что Леметр пришел к такому же выводу двумя годами раньше.

В 1927 г. Леметр вернулся на родину и получил профессуру в Лувене. Тогда же он написал статью с длинным и не очень вразумительным названием «Расширяющаяся Вселенная постоянной массы и растущего радиуса, объясняющая радиальную скорость внегалактических туманностей». Хотя в чисто математическом плане эта работа имеет много общего с трудами Фридмана (которые Леметру тогда были неизвестны), именно она стала началом космологии Большого Взрыва. Леметр недвусмысленно провозгласил, что Вселенная возникла из особого начального состояния с очень высокой плотностью материи. В духе физических знаний своего времени он интерпретировал этот момент как распад некого первичного суператома, который существовал вне времени и пространства. Леметр вычислил последующую эволюцию «взорвавшейся» Вселенной на основе уравнений общей теории относительности (ОТО) и теоретически вывел линейную зависимость между радиальной скоростью галактик и их удаленностью от Солнечной системы. Он даже вычислил коэффициент пропорциональности для этой зависимости, причем получил величину, которая не так уж сильно отличалась от будущих результатов самого Хаббла (правда, обе цифры оказались завышенными примерно на порядок, что выяснилось лишь в пятидесятые годы).

Но и это не все. Леметр сохранил в своей модели так называемый эйнштейновский космологический член, и потому из нее следовало, что Вселенная расширяется не с постоянной, а с возрастающей скоростью (астрономы, как известно, обнаружили этот эффект лишь в конце последнего десятилетия ХХ века). В своих дальнейших работах, в середине тридцатых годов, он интерпретировал космологический член как энергию вакуума, опередив науку по крайней мере на четыре десятилетия.

К сожалению, признание к Леметру пришло не сразу. Он напечатал свою работу в малоизвестном журнале «Анналы Брюссельского научного общества», который астрономы и астрофизики не жаловали вниманием (в свое время аналогичную ошибку совершил и основатель генетики Грегор Мендель). Правда, в том же году Леметр участвовал в работе Сольвеевского конгресса, где познакомился с Эйнштейном и узнал от него о работах Фридмана. Создателю ОТО Леметр по-человечески понравился, но Эйнштейн отказался признать, что Вселенная могла иметь начало. «Ваши выкладки безупречны, но ваше понимание физики никуда не годится» — таков был его вердикт. После столь уничтожающего отзыва прочие физики и вовсе потеряли интерес к идеям бельгийского патера.

Акции Леметра поднялись после публикации закона Хаббла. Узнав об этом открытии, он послал свою статью знаменитому английскому астрофизику Артуру Эддингтону, у которого когда-то учился в Кембридже. Эддингтон, подобно Эйнштейну, не верил в нестационарные мировые модели (правда, позднее он сменил гнев на милость и даже придумал собственную версию расширяющейся Вселенной). Тем не менее он перевел эту работу с французского на английский и представил для публикации в ежемесячнике Королевского астрономического общества, который астрономы, конечно, читали. В 1931 г. Леметр опубликовал в престижнейшем журнале Nature заметку, где утверждал, что начало мира было также началом пространства и времени. А через пару лет Эйнштейн вновь встретился с Леметром в США и на сей раз публично выразил восхищение его моделью. При всем при том Эйнштейн не одобрил использование Леметром космологической константы, которую считал своей крупнейшей ошибкой.

Леметр прожил еще три с лишним десятка лет, был провозглашен прессой самым знаменитым ученым Бельгии, получил немало научных наград, стал членом (а затем и президентом) Папской академии в Ватикане и Бельгийской королевской академии наук и искусств, но ничего существенного к своей теории уже не прибавил. Модель Большого Взрыва ждала других разработчиков.

И это было закономерно. Леметр предложил в качестве зародыша Вселенной объект конечных размеров, сверхмассивный первичный атом. Его взрыв порождает опять-таки сверхтяжелые и потому нестабильные осколки, фрагменты которых тоже должны делиться. Если принять, что Вселенная, как сейчас считается, содержит порядка 1080 частиц, то получится, что атом-отец и его потомки во множестве поколений должны претерпеть примерно 260 делений и на этом остановиться.

Однако такая схема даже семьдесят лет назад не могла вызвать доверия. В процессе множественных делений в конце концов должны были возникать устойчивые ядра. А поскольку титул абсолютного чемпиона ядерной стабильности принадлежит железу, то в космических масштабах именно оно должно было оказаться самым распространенным элементом. Однако в тридцатые годы астрономы знали, что Вселенная почти полностью состоит из водорода и гелия, причем количества их ядер соотносятся примерно в пропорции 10:1. Несомненным достоинством модели Леметра было то, что она объяснила (фактически даже предсказала) закон Хаббла, по крайней мере качественно. Правда, принятые в тридцатые и сороковые годы оценки постоянной Хаббла (иначе говоря, скорости расширения Вселенной) приводили к нелепому выводу, что возраст мироздания куда меньше возраста старых звезд. Однако это затруднение можно было обойти, предположив, что на деле постоянная Хаббла гораздо меньше, что впоследствии и было доказано. Но вот данные об элементном составе Вселенной ну никак не согласовывались с теорией первичного атома. На макроуровне концепция бельгийского ученого работала превосходно, а на микроуровне заводила в тупик.

Однако нет худа без добра. Возникшее противоречие было настолько очевидным, что чуть ли не автоматически указывало, где искать выход. Естественно было оставить в силе концепцию взрывного рождения Вселенной и в то же время радикально пересмотреть модель физической субстанции, созданной Биг Бэнгом. И сделать это следовало на базе гигантских достижений физики ядра и элементарных частиц. В 1932 г. были открыты нейтрон и позитрон, а чуть позже построены теория бета-распада и мезонная теория ядерных сил. С их помощью в предвоенные годы Карл Фридрих фон Вейцзекер (Carl Friedrich von Weizsacker) и Ганс Бете (Hans Bethe) объяснили, каким образом в недрах звезд происходит термоядерный синтез гелия из водорода. Тем самым они не только установили главный источник звездной энергии, но и проложили путь к общей теории космического нуклеосинтеза, которая окончательно оформилась спустя еще два десятилетия.

В общем, математик Фридман и космолог Леметр сказали свое веское слово, дело было за физиками. И таковые нашлись. Первым из них стал уроженец славного города Одессы Георгий Антонович Гамов.

Гамов познакомился с моделью нестационарной Вселенной еще на студенческой скамье, когда учился у Фридмана. По окончании Ленинградского университета он посвятил себя ядерной физике и выполнил несколько классических работ, в частности построил теорию альфа-распада и предложил капельную модель ядра. В 1934 г. он эмигрировал в США, где получил профессуру в столичном университете имени Джорджа Вашингтона. Ученый его калибра мог бы стать одним из руководителей теоретического отдела в Лос-Аламосе, но Гамов в молодости был офицером Красной армии, так что о допуске не мог и мечтать. Поскольку заниматься ядерной физикой в стороне от основного потока тогдашних исследований (естественно, военных) было неинтересно, Гамов в начале сороковых переключился на астрофизику. Хорошо зная и, главное, принимая всерьез работы Леметра, Гамов решил применить его модель для решения проблемы возникновения элементов.

Для начала Гамов «проиграл» модель Леметра назад во времени почти до исходного момента. Поскольку расширение Вселенной приводит к ее постепенному охлаждению, сжатие должно вызывать обратный эффект. Поэтому Гамов заключил, что сразу после рождения мира все имевшееся вещество было чрезвычайно нагрето. Это был огромный шаг вперед по сравнению с гомогенным леметровским суператомом, для которого понятие температуры вообще не имело смысла. Однако следовало еще определиться с составом первичной материи. Не мудрствуя лукаво, Гамов заполнил раннюю Вселенную протонами, нейтронами и электронами. Эту смесь он назвал айлемом, использовав давно забытое слово из средневекового английского: ylem — первосубстанция, источник всего сущего. Интуиция замечательного физика сработала на славу. По современным представлениям, «обычное» вещество Вселенной полностью состояло из айлема уже к концу первой секунды.

Однако столь блестящая догадка еще не гарантировала успеха. Гамов прекрасно понимал, что его модель не будет принята всерьез, если с ее помощью не удастся объяснить элементный состав Вселенной. На первом этапе необходимо было описать синтез из айлема самых легких составных ядер, для начала хотя бы только гелия.

Эта задача оказалась разрешимой, хоть и чрезвычайно трудоемкой. Скорости реакций термоядерного синтеза сильно зависят от температуры, которая падала вместе с расширением Вселенной. Гамов, при всем своем глубоком понимании физики, никогда не был хорошим расчетчиком. Первое время он трудился в одиночку, но в 1945 г. судьба послала ему замечательного помощника в лице Ральфа Ашера Алфера (Ralph Asher Alpher). Сын эмигрировавшего в США одесского еврея, Алфер в школе показал столь блестящие способности, что Массачусетский технологический институт выделил ему стипендию, целиком покрывающую стоимость обучения (немалая честь и по тем временам большая редкость). Однако щедрый посул немедленно аннулировали, как только институтское начальство узнало, что Алфер нечист по пятому пункту. Он стал студентом-вечерником Университета им. Джорджа Вашингтона, где Гамов его заметил и взял в аспиранты. Именно Алфер выполнил большую часть вычислений, показавших, что к концу пятой минуты существования Вселенной в ней будет ровно столько гелия, сколько нужно астрономам.

В начале 1948 г. Гамов и Алфер изложили свои результаты в рукописи «Происхождение химических элементов», предназначенной для журнала Physical Review. И тут Гамов выкинул фортель. Не спросясь у Алфера, он указал в качестве соавтора своего друга Ганса Бете. Бете действительно много сделал для понимания природы термоядерных реакций, но в работе Алфера и Гамова не участвовал. Своему помощнику Гамов объяснил, что подписи «Алфер — Бете — Гамов» фонетически близки последовательности трех первых букв греческого алфавита «альфа-бета-гамма», в чем он усмотрел особую элегантность. Алфера это не устраивало, но пришлось подчиниться прихоти шефа.

Но к Алферу все же пришла и собственная слава, правда недолгая. 13 апреля 1948 г. он защитил диссертацию при переполненном зале, где кроме физиков было немало журналистов. Сообщения о том, что «мир начался в течение пяти минут» (неточно, но эффектно), облетели большую и малую прессу Америки. Впрочем, уже через несколько недель об этом мало кто помнил.

Спустя всего несколько месяцев Алфер и Роберт Герман (Robert Herman) уже без участия Гамова пришли к выводу, что Вселенная должна быть заполнена микроволновым излучением, возникшим примерно через триста тысяч лет после ее начала. Это было предсказанием принципиально нового явления, еще не известного науке. Регистрация микроволнового излучения, осуществленная в 1964 г. Арно Пензиасом (Arno Penzias) и Робертом Вилсоном (Robert Wilson), исторически оказалась самым сильным аргументом в пользу теории горячего рождения Вселенной, которой (теории), правда, пришлось выдержать серьезнейшую схватку с конкурирующей космологической моделью (тогда и было придумано выражение «Большой Взрыв»). Впрочем, это уже совсем другая история.