Пол Хэлперн - Коллайдер

Пока в физике высоких энергий - так стали называть экспериментальную ветвь физики элементарных частиц - число регистрируемых субатомных событий росло не по дням, а по часам, многие физики-ядерщики примкнули к астрономам, чтобы вместе понять, как образуются природные химические элементы. В 1939 г. вышла знаковая статья физика Ганса Бете «Генерация энергии в звездах». В ней Бете продемонстрировал, что источником звездной энергии может служить термоядерный синтез, процесс слияния мелких ядер в более крупные. Два ядра водорода превращаются в дейтерий (тяжелый водород), дейтерий подбирает еще одно ядро водорода и дает гелий-3, и, наконец, два гелия-3 сливаются в гелий-4 с испусканием пары протонов - таковы основные звенья цикла, благодаря которому звезды вырабатывают свою гигантскую энергию и светят. Бете предложил и другие циклы с участием более тяжелых элементов (скажем, углерода).

В 1948 г. Георгий Гамов (уже сотрудник Университета им. Джорджа Вашингтона), подавая в печать свою с Гансом Алфером статью «Происхождение химических элементов», в качестве шутки вписал Бете в соавторы. Хотя истинными авторами являлись Алфер и Гамов, они прибегли к имени Бете, чтобы получилось созвучие с первыми тремя буквами греческого алфавита (альфа, бета, гамма). Иногда эту работу называют «алфавитной статьей».

Главной предпосылкой теории Алфера и Гамова о зарождении элементов является представление о том, что Вселенная возникла из невероятно плотного и сверхгорячего состояния, которое Фред Хойл прозвал Большим взрывом. (Хойл, будучи противником теории Большого взрыва, пытался выбрать название пообидней [20], но оно тем не менее прижилось.)

Гипотезу о том, что Вселенная когда-то была безумно маленькой, первым высказал бельгийский математик и священник Жорж Леметр. Серьезный фундамент под нее подвели наблюдения американского астронома Эдвина Хаббла, обнаружившего, что далекие галактики от нас удаляются, а следовательно, пространство расширяется. Алфер и Гамов предположили, что гелий, литий и более тяжелые элементы вышли из огненного горнила новорожденной Вселенной.

Как оказалось, они угадали с гелием, но ошиблись насчет других элементов. Молодая Вселенная действительно была достаточно разогрета, чтобы из водорода синтезировать гелий, но потом в процессе расширения она сильно охладилась и не смогла бы родить столько тяжелых элементов, сколько мы наблюдаем. Стало быть, углерод и кислород в растениях и животных идут не от Большого взрыва. А именно на роль котла, где варятся элементы тяжелее гелия, Хойл с тремя своими коллегами предложил адское пекло звездных ядер, которые после взрыва - вспышки сверхновой - выбрасывают эти элементы в космос.

Гамова сбила с толку сама возможность того, что за происхождение элементов могут отвечать два разных механизма. Верный своей юмористической манере, он выразил свою озадаченность и разочарование в пародии на библейский текст - поэме «Новая Книга Бытия».

«В начале, - гласит стих, - Бог создал излучение и илем (правещество)». Затем идет описание того, как Бог один за другим творит химические элементы, просто-напросто называя по порядку их массовые числа. К несчастью, на числе пять Бог запинается, подвергая опасности всю свою затею. Но вместо того чтобы начать заново, Он находит другой выход из положения: «И сказал Бог: “Да будет Хойл”… и повелел ему сделать тяжелые элементы так, как тому будет угодно» 45.

Несмотря на неудачу с тяжелыми элементами, теория Большого взрыва дала необычно плодотворное объяснение происхождения Вселенной. Важной вехой, добавившей в копилку теории доказательств, стало обнаружение в 1965 г. Арно Пензиасом и Робертом В. Вильсоном реликтового излучения. Наставленная ими в небо рупорная антенна независимо от направления регистрировала постоянный радиошум с температурой около 3 градусов выше абсолютного нуля (нижнего предела температуры). Изучив результаты этих наблюдений, ученый из Принстона Роберт Дикке продемонстрировал, что распределение и температура радиошума полностью согласуются с представлением о горячей расширяющейся Вселенной, которая со временем остывает.

В 1990-х и в 2000-х гг. на орбиту были запущены спутники СОВЕ («Спутник для изучения реликтового фона») и WMAP [21](«Зонд им. Уилкинсона для исследования анизотропии микроволнового фона»). Как видно из их названий, они занимались (WMAP до сих пор занимается) составлением подробной карты реликтового излучения. В частности, они позволили заметить, что хоть микроволновое излучение и невероятно однородное, оно испещрено горячими и холодными пятнышками - свидетельство того, что в ранней Вселенной уже содержались зачатки будущей структуры: звезд, галактик и остальных астрономических объектов. Эта карта температуры, отображенная в условных цветах, получила прозвище «детское фото Вселенной».

На «детском фото» запечатлена особая эпоха в истории Вселенной, отстоящая от Большого взрыва примерно на 300 000 лет. В «эпоху рекомбинации» электроны соединились с ядрами, образовав атомы. До этого момента электромагнитное излучение металось от одной заряженной частицы к другой, как шарик при игре в пинбол. Однако стоило отрицательно заряженным электронам остепениться и осесть возле положительно заряженных ядер, «игровой автомат» словно выключили, и помехи на пути излучения исчезли. Освобожденные от оков, горячие фотоны помчались по всей Вселенной, неся в себе слабый отпечаток распределения то чуть более, то чуть менее плотных скоплений атомов в космосе. С течением времени излучение остыло, а в более плотные области начало притекать вещество. Когда в них набралось столько водорода, что его ядра начали сливаться и дали старт стационарным цепным реакциям, зажглись первые звезды, которые стали излучать ядерную энергию в форме света и тепла.

Как появлялись звезды, планеты, галактики… - эти события небесной драмы интересуют прежде всего астрофизиков и астрономов. Что касается физиков, занимающихся элементарными частицами, их излюбленный вопрос - что было до рекомбинации? - относится к совсем уж незапамятным временам. Знание того, как вели себя фотоны, электроны, протоны, нейтроны и другие частицы, когда атомов не было и в помине, то есть в первые моменты жизни Вселенной, позволяет делать выводы о свойствах фундаментальных взаимодействий. Другими словами, ранняя Вселенная, как и коллайдер, представляет собой лабораторию высоких энергий. Данные с одного из приборов можно потом проверить на втором.

В том же году, когда Алфер и Гамов опубликовали свою «алфавитную» статью, Джулиан Швингер и Ричард Фейнман из Соединенных Штатов и Синъитиро Томонага из Японии независимо друг от друга выпустили цикл статей, в которых была изложена квантовая теория электромагнитного поля. (Томонага пришел к своим идеям, когда шла Вторая мировая война, поэтому у него не было возможности оповестить о них научную общественность.) В работах принстонского ученого Фримана Дайсона новая теория, названная квантовой электродинамикой (КЭД), приобрела законченный вид. Она в итоге стала образцом того, как должно выглядеть описание природных сил.