Марио Ливио - От Дарвина до Эйнштейна. Величайшие ошибки гениальных ученых, которые изменили наше понимание жизни и вселенной

Обратите внимание: согласно «“Бытию” на новый лад» совершать ляпсусы случалось даже Богу!

Королевская академия наук Швеции тоже не считала, что предсказание Хойла – это «мелкие подробности». В 1997 году она решила присудить Хойлу и Солпитеру престижную премию Крафорда «за первопроходческие результаты в изучении ядерных процессов в звездах и звездной эволюции». Объявляя о своем решении, Академия отмечала: «Вероятно, главнейшее его [Хойла] достижение в этой области – это статья, где он показал, что существование углерода в природе предполагает наличие определенного возбужденного состояния ядра углерода. Впоследствии это предсказание было подтверждено экспериментально» [322].

Вслед за статьей об уровне энергии ядра углерода Хойл опубликовал статью, где были заложены основы теории звездного нуклеосинтеза – концепции, согласно которой большинство химических элементов и их изотопов синтезируются из водорода и гелия посредством ядерных реакций в недрах массивных звезд. В этой статье, которая вышла в свет в 1954 году [323], Хойл объяснил, что распространенность тех или иных тяжелых элементов, которую мы наблюдаем сегодня, – это прямой результат звездной эволюции . Звезды проводят жизнь в непрерывной борьбе с гравитацией. В отсутствие противодействующих сил гравитация заставила бы любую звезду схлопнуться к центру. А «разжигая» у себя в недрах ядерные реакции, звезды создают сверхвысокие температуры, а возникающее в результате высокое давление помогает звездам сопротивляться воздействию собственного веса. Хойл писал о том, что когда кончаются все виды ядерного топлива в центре звезды (сначала водород перегорает в гелий, потом гелий в углерод, потом углерод в кислород и т. д.), гравитационное сжатие вызывает повышение температуры в недрах звезд – и тогда запускается следующая ядерная реакция. Хойл заключил, что таким образом в ходе каждого из последовательных эпизодов горения в ядре синтезируются все элементы вплоть до железа. Поскольку ядро звезды после каждого такого эпизода уменьшается в размере, звезда приобретает структуру, похожую на луковицу, где каждый слой состоит из основного продукта, если хотите, «пепла» от предыдущей ядерной реакции (илл. 21). Поскольку ядро железа стабильнее всех других, как только формируется железное ядро звезды, энергия от слияния атомных ядер в более тяжелые перестает поступать. Без источника внутреннего жара звезда не может сопротивляться гравитации, и ее ядро схлопывается – и при этом происходит мощный взрыв. Такие взрывы, так называемые взрывы сверхновых, с необычайной силой выбрасывают все «выплавленные» элементы в межзвездное пространство, где они обогащают газ, из которого формируются дальнейшие поколения звезд и планет. Температуры, которые при этом достигаются, так высоки, что элементы тяжелее железа формируются при бомбардировке звездного вещества нейтронами. Сценарий Хойла и в наши дни остается масштабной картиной, изображающей эволюцию звезд. Как ни странно, эта статья, заложившая основы теории звездного нуклеосинтеза, в свое время не привлекла особого внимания, вероятно, потому, что была напечатана в астрофизическом журнале, к тому же новом, с которым сообщество физиков-ядерщиков еще не было знакомо.

Илл. 21

Стоит ли говорить, что предсказание уровня резонанса в углероде, которое сделал Хойл, произвело сильное впечатление и на Вилли Фаулера. Сотрудничество Хойла и Фаулера и семейной команды астрономов Джеффри и Маргерит Бербидж привело к появлению одной из самых известных астрофизических работ. В 1957 году вышла фундаментальная статья Бербиджа, Бербидж, Фаулера и Хойла [324], которую часто называют B 2FH, где приводилась общая теория синтеза в звездах всех элементов тяжелее бора. Кстати, когда Джони Митчелл в своей песне «Вудсток» пела «Мы – звездная пыль», то всего-навсего излагала слушателям краткий стихотворный пересказ статьи Хойла 1954 года и статьи B 2FH. Четыре исследователя, опираясь на обширные астрономические данные о распространенности тяжелых элементов в звездах и метеоритах, присовокупили к ним важнейшие ядерно-физические данные экспериментов и испытания водородной бомбы на атолле Эниветок в Тихом океане 1 ноября 1952 года и подтвердили свои теоретические расчеты. Они описали ни много ни мало восемь ядерных процессов, синтезирующих элементы в звездах, и определили разные астрофизические условия, в которых эти процессы происходят. В статье B 2FH совершенно справедливо отмечено, что данные наблюдений, согласно которым «звезды сильно различаются по химическому составу», – это сильный довод в пользу теории звездного нуклеосинтеза в противоположность представлению о том, что все элементы были созданы в момент Большого взрыва.

Да, это был сильный ход. Пространная – на 108 страниц – статья начиналась с романтической нотки: двух противоречащих друг другу цитат из Шекспира о том, правят ли звезды человеческой судьбой. Первая, из «Короля Лира», гласит: «В небе звезды судьбою нашей сверху руководят» (пер. М. Кузмина), далее следует «однако, возможно» – и вторая цитата, из «Юлия Цезаря»: «Не в звездах, нет, а в нас самих ищи причину, что ничтожны мы и слабы» (пер. П. Козлова). Кончается статья призывом к наблюдателям делать все возможное, чтобы определить относительную распространенность в звездах разных изотопов , поскольку именно с их помощью можно будет проверить, верны ли различные схемы ядерных реакций. На илл. 22 приведена групповая фотография, снятая в Институте теоретической астрономии в Кембридже в 1967 году. Фред Хойл – в середине второго ряда, слева от него – Маргерит Бербидж. В середине первого ряда – Вилли Фаулер, справа от него – Джефф Бербидж.

Однако на один вопрос статья B 2FH ответить не сумела. Как ни старались Хойл и его коллеги, они не сумели подтвердить, что самые легкие элементы действительно формируются внутри звезд. Дейтерий, литий, бериллий и бор были слишком нестойки, а жар в недрах звезд – так высок, что эти элементы в ходе ядерных реакций не создавались, а разрушались. Сложности возникли и с гелием, вторым по распространенности элементом в космосе. Казалось бы, это неожиданно, поскольку звезды вырабатывают гелий, и это бесспорно. Ведь слияние четырех атомов водорода в гелий, как-никак, служит главным источником энергии для большинства звезд вроде Солнца! Трудности возникли не с синтезом гелия как таковым, а с тем, чтобы синтезировать достаточное его количество. Подробные подсчеты показали, что звездный нуклеосинтез предсказывает уровень распространенности гелия в космосе всего в 1–4 %, а наблюдаемое его количество – 24 %. А значит, единственной строительной площадкой для самых легких элементов, как и предполагали Гамов и Альфер, становился Большой взрыв.