Брайан Китинг - Гонка за Нобелем. История о космологии, амбициях и высшей научной награде

Гамов предположил, что понимание того, как сформировались самые легкие атомы в периодической таблице Менделеева (помните школьные уроки химии?), может пролить свет на события ранней Вселенной. Если Большой взрыв действительно был, то оставшиеся от него следы должны быть самыми легкими, самыми маленькими и самыми простыми по строению атомами, состоящими из минимального количества протонов и нейтронов. Эти легкие атомы были единственными «реликтами», возраст которых могли установить космические археологи. Гамов и Альфер показали, что относительное изобилие химических элементов может служить своего рода времязависимым термометром, который был наиболее чувствителен в период горячей Вселенной сразу после Большого взрыва.

В 1932 году американский физик Гарольд Юри открыл дейтерий ( лат. deuterium — второй), чье название указывает на то, что ядро состоит из двух частиц. (Ядро атома водорода содержит один протон, дейтерий по химическому составу идентичен «разновидности» водорода, изотопу, ядро которого содержит протон и нейтрон.) Дейтрон, как называется ядро дейтерия, фактически представляет собой половину ядра гелия. Следовательно, кулинарный рецепт приготовления ядра гелия мог бы звучать так: «Возьмите два дейтрона и запекайте их при температуре в несколько миллиардов градусов в течение минуты». Тепловое излучение этой раскаленной печи, состоящее из частиц света (фотонов), способно прижать два дейтрона друг к другу достаточно сильно, чтобы преодолеть силу электрического отталкивания между двумя положительно заряженными протонами. (Конечно, реальный процесс образования гелия немного сложнее, но суть его такова.) Однако в этом кулинарном рецепте есть два критических условия. При малейшем превышении определенного порога температуры — примерно в 10 млрд градусов Цельсия — основной ингредиент, дейтрон, распадается на части. Следовательно, чтобы создать ядро гелия, температура должна быть выше нескольких миллиардов градусов, но ниже 10 млрд градусов. И вторая сложность: нестабильность нейтрона. Если он не связан с протоном в течение примерно десяти минут, происходит его радиоактивный распад.

Таким образом, чтобы во Вселенной осталось хоть сколько-нибудь дейтерия, строительного материала для гелия, а также свободных нейтронов, необходимых для формирования новых дейтронов, ее температура должна была упасть ниже магического порога в 10 млрд градусов за довольно короткое время — менее чем за 600 секунд. Благодаря неустойчивости нейтронов дейтерий стал для ученых температурозависимыми «часами» — термохронометром. Но что могло вызвать такое быстрое охлаждение от бесконечных температур до этой высокой, но все же конечной температуры? Расширение Вселенной. При расширении все охлаждается — например, вы сталкиваетесь с этим, когда распыляете аэрозоль. Когда выпускается содержимое баллончика, газ внутри него становится менее плотным и металлическая поверхность охлаждается.

Пока снижение температуры Вселенной не преодолело планку в 10 млрд градусов, кишащие в раскаленной плазме фотоны мгновенно разбивали любые образующиеся дейтроны, таким образом обрывая в самом начале цепочку реакций, ведущую к синтезу гелия. Как только Вселенная немного остыла, началось стремительное образование гелия. Но строительный ядерный бум продлился недолго. Через 20 минут после того, как началось охлаждение с бесконечных температур, все было кончено: Вселенная стала слишком холодной, чтобы сплавлять дейтроны в ядра гелия, и процесс, показанный на рис. 14, подошел к концу. С тех пор количество первозданного гелия в космосе оставалось неизменным. Только представьте: за отрезок времени короче одного эпизода сериала «Теория Большого взрыва» образовались почти все легкие элементы во Вселенной!

Три самых легких ядра — дейтроны и ядра водорода и гелия — стали древними артефактами, с помощью которых можно было протестировать модель Большого взрыва {7} . В 1949 году Гамов и Альфер предсказали, что на каждое ядро гелия должно приходиться 12 ядер водорода плюс небольшое количество остаточного дейтерия (который в то время астрономы не умели обнаруживать). Наблюдения за звездами в Млечном Пути в значительной степени согласовывались с этим прогнозом. Ободренные этим подтверждением, Гамов и Альфер пошли еще дальше и предположили, что все элементы, даже углерод, основа жизни, могли быть образованы в первые несколько минут после Большого взрыва в огненном шаре ранней Вселенной.

Позже Альфер и его коллега Роберт Херман выдвинули предположение, что процесс охлаждения Вселенной продолжается по сей день. При этом тепло, оставшееся от первоначального огненного шара, и сегодня подогревает космос до температуры в 5 кельвинов — на пять градусов выше абсолютного нуля по шкале Цельсия. Мы можем увидеть это тепло в виде микроволнового фонового излучения, равномерно заполняющего всю Вселенную.

Идея, что Вселенная превратилась из некогда кипящей и бурлящей точки сингулярности — состояния материи и энергии, с которого все началось, — в ледяную ванну из света, окружающего нас повсюду, была слишком нелепа, чтобы воспринимать ее всерьез. На самом деле только один космолог воспринял эту идею как вызов: Фред Хойл. И он сделал все, чтобы ее опровергнуть.

Теория образования химических элементов Альфера — Гамова — Хермана, впоследствии получившая название первичного нуклеосинтеза, для Хойла была неудобоварима: он не сомневался, что все можно объяснить в рамках модели стационарной Вселенной. Сделав это, он не только покончит с конкурирующей теорией космогенеза, но и впишет свое имя в историю космологии.

К четырем первородным грехам теории Большого взрыва Хойл добавил еще два. Во-первых, он доказал, что модель нуклеосинтеза Большого взрыва могла привести к образованию только трех самых легких элементов в периодической таблице: водорода, гелия и лития (имеющего в ядре три протона) и их изотопов. Большой взрыв, предположительно, начался с расширения Вселенной из ничтожно малой частицы, содержавшей зародыши легких элементов, которые, в свою очередь, стали строительным материалом для более тяжелых. Но модель Большого взрыва не предусматривала синтез элементов тяжелее лития. Теория, способная объяснить образование всего трех из почти сотни известных на тот момент элементов и изотопов, т. е. всего 3 %, вряд ли могла внушать доверие. Но Хойл на этом не остановился.