Виктор Стенджер - Бог и Мультивселенная. Расширенное понятие космоса

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} 160 Kragh Helge. Conceptions of Cosmos from Myths to the Accelerating Universe: A History of Cosmology. — Oxford; New York: Oxford University Press, 2007. — P. 155–157. .

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} 161 Hubble Edwin. Problems of Nebular Research // Scientific Monthly, 1940. — №51. — P. 391–408. .

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} 162 Kragh Helge. Conceptions of Cosmos. — P. 160. .

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} 163 Хорошее объяснение этого процесса дал Джон Бакал в своей нобелевской речи, озаглавленной «Как светит Солнце» // http://www.nobelprize.org/ nobel_prizes/physics/articles/fusion/ (accessed February 24,2013). .

Вайцзеккер также предположил, что с помощью этой теории можно объяснить формирование химических элементов {164} 164 Weizacker Carl Friedrich von. Element Transformation inside Stars // Physicalische Zeitschrift, 1938. — № 39. — P. 633–646; A Source Bookin Astronomy and Astrophysics, 1900–1975. — Cambridge, MA: Harvard University Press, 1979. P. 309–318. . Однако его модель не давала приемлемого объяснения распространенности элементов в космосе {165} 165 Kragh Helge. Conceptions of Cosmos. — P. 162–163. . Но все же физики-ядерщики были достаточно заинтригованы для того, чтобы подключиться к работе по исследованию космоса.

Большой шаг в сторону укрепления позиций модели Большого взрыва сделал Георгий Гамов, российско-украинский физик, эмигрировавший в США {166} 166 Краткая биография Гамова хорошо изложена в книге Александра Виленкина «Мир многих миров» (Виленкин А. Мир многих миров: Физики в поисках параллельных вселенных. — М.: Астрель, 2010). . 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} 167 Alpher Ralph and Herman Robert. Genesis of the Big Bang. — New York: Oxford University Press, 2001. — P. 71. .