Книга: Гонка за Нобелем. История о космологии, амбициях и высшей научной награде
Назад: Глава 4. Большой взрыв — большие проблемы
Дальше: Некоторые любят погорячее
К вопросу о спектре
В 1929 году, после нескольких лет погони за цефеидами и спектроскопических исследований, Хаббл смело сформулировал закон: чем дальше от нас находится галактика, тем с большей скоростью она удаляется. Это было дерзкое утверждение, поскольку данных на тот момент имелось недостаточно. Однако подчас даже несовершенные теории позволяют делать правильные описания, как это было в случае гелиоцентрической гипотезы Галилея или предположения Шепли о гигантских размерах Млечного Пути. Часто даже несовершенные данные подкрепляют хорошую теорию. (Предостережение для моих коллег-космологов: такое случается крайне редко!) В конечном счете зависимость между скоростью удаления галактик и расстоянием до них стала называться законом Хаббла. Отец Эдвина Хаббла мог бы гордиться своим сыном: хотя тот не стал известным адвокатом, его именем был назван важный закон.
Из закона Хаббла вытекало, что Вселенная не только находится в динамичном движении, но и расширяется наподобие воздушного шара (рис. 12). В это было трудно поверить. Казалось, это нарушает коперниканский принцип: неожиданно мы опять стали особенными, если почти всё в космосе удаляется от нас в разные стороны. Представьте, что вы находитесь на многолюдной вечеринке, где половина танцующих удаляется от вас, а половина приближается к вам. А теперь представьте, что все танцующие удаляются от вас: вы можете сделать вывод, что с вами что-то не так. Но с расширяющейся Вселенной Хаббла было еще хуже. Из расширяющейся модели следовал поистине безумный вывод: если повернуть часы назад, то у Вселенной было начало — момент, до которого не существовало ни Вселенной, ни времени! Это превосходило самые дерзкие научные фантазии. Куда комфортнее было верить в то, что Вселенная вечна, без начала и конца, и списать разбегание галактик на простую оптическую иллюзию. Даже Эйнштейн много лет спустя после публикации наблюдений Хаббла в 1929 году продолжал придерживаться теории вечной Вселенной. Таким образом, Хаббл открыл четвертый раунд Великих дебатов: находится ли человечество не только в самом удачном месте, но и в самое удачное время в истории Вселенной.
Первые количественные данные, полученные космологами, при всей их неточности ясно показывали: наша Вселенная меняется. Но, подобно тому как наблюдения Галилея не доказывали гелиоцентрическую модель, а опровергали представление о том, что Земля находится в центре Солнечной системы, наблюдения Хаббла опровергали стационарную модель Вселенной, но не доказывали, что у Вселенной было начало. Даже если у Вселенной действительно было начало, как мы можем об этом узнать? И что вообще могло привести к рождению Вселенной?
В гениально провидческой статье, опубликованной в 1931 году в журнале Nature, Леметр представил предтечу теории, известной нам сегодня как теория Большого взрыва. Кстати, термин «Большой взрыв» был придуман не им — кем, вы вскоре узнаете. Леметр назвал свою модель «гипотезой первичного атома», утверждая, что Вселенная могла возникнуть «из единственного атома, атомная масса которого равняется всей массе Вселенной». Он предположил, что процесс рождения Вселенной представлял собой стремительное расширение (хотя вся заслуга за эту гипотезу приписывается Хабблу).
Леметр не только первым описал Большой взрыв, но и впервые выдвинул некоторые идеи о том, что мы теперь называем квантовой гравитацией. Это теория, связывающая эйнштейновские гравитационные взаимодействия с квантовой механикой — законами физики, описывающими поведение субатомных частиц, таких как фотоны и электроны. Однако Леметру пришлось поплатиться за свое научное провидение. Идея квантового происхождения Вселенной слишком опередила свое время, чтобы научное сообщество восприняло ее всерьез. В 1930-е годы сама квантовая механика только-только начала делать первые шаги, и ее объединение с теорией гравитации до сих пор остается для физиков недостижимой мечтой. Таким образом, к концу 1930-х годов четвертый этап Великих дебатов по-прежнему происходил в отсутствии жюри.
В любой неудаче начало, безусловно, половина дела.Джордж Элиот
Гипотеза Леметра о том, что Вселенная родилась из материи и энергии, сжатых в одну, вероятно бесконечно малую точку, пошатнула тысячелетние представления о вечности и неизменности космического мироздания. Из нее вытекало, что в прошлом Вселенная была меньше и плотнее, а до какого-то момента и вовсе не существовала. Вместе с наблюдениями Хаббла гипотеза первичного атома Леметра породила четыре серьезные проблемы как физического, так и философского свойства.
Проблема № 1: пространство. Закон Хаббла устанавливал прямо пропорциональную зависимость между расстоянием до далекой галактики (измеренным на основе закона Ливитт) и скоростью ее удаления (измеренной с помощью открытого Слайфером эффекта красного смещения спектра). Прямая пропорциональность означала, что галактика, находящаяся на расстоянии 10 млн световых лет, удаляется от нас в два раза быстрее, чем галактика, расположенная на расстоянии 5 млн световых лет. Эту зависимость можно инвертировать: измерив расстояние и скорость удаления галактик сегодня, мы можем «перемотать» историю Вселенной назад и определить время, когда все галактики во Вселенной «соприкасались» друг с другом. Но эта логика в конце концов приводит нас к заключению, что, когда начиналось расширение, Вселенная была бесконечно мала. Ограниченное вещество, сжатое в бесконечно малом объеме, означает, что космическая плотность была неограниченной, как и температура.
Но такое состояние ничем не подтверждалось. Казалось невероятным, что Вселенная эволюционировала от состояния полной бесконечности (например, бесконечной плотности) к состоянию с конечными значениями тех же физических свойств. Как можно быть уверенным в том, что сами законы физики остались бы неизменными в ходе такого события? Например, могли ли сохраняться в бесконечно плотной и горячей ранней Вселенной такие фундаментальные константы, как скорость света? Если нет, теория заходит в тупик.
Проблема № 2: время. Опираясь на очень неточные и неполные данные, Хаббл неправильно рассчитал скорость галактик — он завысил ее в семь раз по сравнению с сегодняшней оценкой. Такая скорость предполагала, что разбегание галактик должно было начаться относительно недавно. Это привело к тому, что Хаббл значительно недооценил возраст Вселенной, определив его всего в 2 млрд лет — ровно в семь раз меньше, чем считают современные ученые. Что ввело Хаббла в заблуждение? Как и Гершель и Шепли, он пал жертвой вездесущего бича Вселенной — космической пыли. Пыль затмевала свет драгоценных цефеид, которые Хаббл использовал для своих измерений, заставляя их казаться более удаленными, чем они были на самом деле.
Из-за этих грубых ошибок в измерениях Вселенная Хаббла получилась слишком стремительной и слишком молодой: она была моложе некоторых существующих в ней звезд и даже моложе Земли, возраст которой был довольно точно установлен в 1930-х годах. Хаббловская оценка вызвала у космологов смущение сродни тому, которое испытывает пасынок при мысли, что он старше новой жены своего отца.
Проблема № 3: материя. Модель Леметра не могла объяснить, каким образом во Вселенной из ничего возникла материя. В своей статье 1931 года Леметр предвосхитил модную сегодня теорию «Вселенной из ничего», ссылаясь на «квантовые колебания» первичного атома как на возможный механизм происхождения космоса. Но, как и сегодня, так и тогда, физики с подозрением отнеслись к идее рождения Вселенной ex nihilo. Слишком уж сильно это напоминало библейское сотворение мира. Несмотря на то что Леметр был католическим священником, теологические обертоны модели немало его смущали, и он всеми силами старался от них дистанцироваться. Но их было невозможно игнорировать.Проблема № 4: принцип. Хуже всего было то, что модель Леметра шла вразрез с предположением, которое астрономы называют «совершенным космологическим принципом», распространяющим принцип Коперника за пределы Солнечной системы на всю Вселенную. Совершенный космологический принцип всего лишь развивает идею заурядности точек в пространстве применительно к событиям в пространстве и времени, т. е. в пространстве-времени. (Согласно теории относительности Эйнштейна, пространство и время представляют собой единое целое.) Таким образом, рождение Вселенной — самое особое событие в ее истории — противоречит совершенному космологическому принципу, который утверждает, что ни одна точка в пространстве и ни одно событие во времени не могут претендовать на какую бы то ни было исключительность.
Британский космолог Фред Хойл счел гипотезу первичного атома Леметра настолько возмутительной, что в 1949 году в насмешку окрестил ее Big Bang, подразумевая, очевидно, британский эвфемизм для оргазма. Но ему было мало высмеять модель Леметра — Хаббла. Вместе со своими коллегами Томми Голдом и Германом Бонди Хойл решил разработать собственную альтернативную модель, такую, которая разрешила бы все эти сбивающие с толку проблемы.
Те, кто не изучает прошлое, обречены его повторить.Джордж Сантаяна
Хойл, Голд и Бонди сдружились в Британском адмиралтействе, где работали во время Второй мировой войны. Однажды вечером, уже после войны, они посмотрели фильм «Глубокой ночью» (Dead of Night), положивший начало новому жанру психологического хоррора. В картине кошмарный сон повторяется в виде событий реальной жизни, которые, в свою очередь, оказываются кошмарным сном. Кажется, главный герой обречен переживать этот цикл снова и снова, в вечном дежавю.
Фильм потряс Голда. Ученый задался вопросом: а что, если существует некое подобие «космической репетиции», повторяющийся цикл, который можно рассматривать как альтернативу Большому взрыву? Вскоре он показал, что вечная Вселенная, постоянно создающая новую материю, позволяет объяснить удаление далеких галактик, которое обнаружил Хаббл. В вечной Вселенной нет неловких проблем с возрастом и нет нарушения совершенного космологического принципа. Модель получила название теории стационарной Вселенной. Сама идея была далеко не нова, появляясь в различных вариациях на протяжении тысячелетий; новым в этой модели было то, что она предполагала непрерывное образование новой материи по всему космическому пространству.
Модель стационарного состояния Вселенной была полной противоположностью модели Большого взрыва. Если Большой взрыв предполагал некое начало, то стационарная модель в таковом не нуждалась. В первой модели Вселенная молода, даже слишком молода; во второй она вечна. И если Большой взрыв подразумевал, что весь космос произошел из «первичного атома», то в стационарной модели такой бессмыслицы не было.
Тем не менее в модели стационарной Вселенной также не обошлось без ухищрений. Поскольку изменение Вселенной во времени было практически установленным фактом, приверженцы модели позволили космосу со временем меняться, но постулировали непрерывное образование небольшого количества новой материи, которая обеспечивала постоянную плотность космического пространства. Они утверждали, что такое образование материи — очень малыми темпами — гораздо правдоподобнее, чем возникновение из бесконечно малой точки в ходе единичного события. Хойл поэтически описывал это как «один атом в столетие в объеме, равном Эмпайр-стейт-билдинг». Такое количество новой материи невозможно обнаружить экспериментальным путем, что надежно защищало модель от опровержения путем наблюдений.
Так откуда же берется новая материя в модели стационарной Вселенной? Она материализуется из пустого пространства и конденсируется, формируя звезды в ходе ядерного синтеза, который в конце 1940-х годов еще был плохо изучен. Таким образом, расширяющаяся Вселенная постоянно рождает новые галактики, при этом каким-то магическим образом сохраняя среднее расстояние между ними. Это было довольно изощренно и витиевато, но для многих ученых более приемлемо, чем идея происхождения Вселенной ex nihilo (из ничего), как это предполагала теория Большого взрыва.
Модель стационарного состояния Вселенной позволяла объяснить даже открытую Хабблом зависимость между расстоянием и лучевой скоростью. Наконец, она полностью подчинялась принципу Коперника и, уж конечно, не напоминала теорию сотворения мира из Книги Бытия, 1: 1.
Модель вечной Вселенной, циклически повторяющей процесс творения, по одному атому за раз, в глубинах космической ночи, могла посоперничать с самыми дерзкими голливудскими сценариями и требовала немалой доли художественного воображения.
В 1948 году Голд и Бонди опубликовали описательную версию модели стационарного состояния Вселенной, а Хойл — отдельно — количественные расчеты, дополнявшие описание техническими деталями. Их теория разрешала все четыре фатальные проблемы теории Большого взрыва. Отныне на ринге Великих дебатов появилось два сильных соперника. Хотя две модели были почти полными противоположностями друг друга, у каждой имелись свои сильные стороны и свои явные недостатки. Что разрешит исход противостояния?
