Познавательная страничка

[А Р Т Ё М]

Забытый соперник Большого взрыва

Алексей Левин
«Популярная механика» №5, 2006

Теория Большого взрыва сейчас считается столь же несомненной, как и система Коперника. Однако вплоть до второй половины 1960-х она отнюдь не пользовалась всеобщим признанием, и не только потому, что многие ученые c порога отрицали саму идею расширения Вселенной. Просто у этой модели имелся серьезный конкурент.



Через 11 лет космология как наука сможет отмечать свой столетний юбилей. B 1917 году Альберт Эйнштейн осознал, что уравнения общей теории относительности позволяют вычислять физически разумные модели мироздания. Классическая механика и теория гравитации такой возможности не дают: Ньютон пытался построить общую картину Вселенной, однако при всех раскладах она неизбежно схлопывалась под действием силы тяготения.

Эйнштейн решительно не верил в начало и конец мироздания и поэтому придумал вечно существующую статичную Вселенную. Для этого ему понадобилось ввести в свои уравнения особую компоненту, которая создавала «антитяготение» и тем самым формально обеспечивала стабильность мироустройства. Это дополнение (так называемый космологический член) Эйнштейн считал неэлегантным, уродливым, но все же необходимым (автор OTO зря не поверил своему эстетическому чутью — позднее было доказано, что статичная модель неустойчива и поэтому физически бессмысленна).

У модели Эйнштейна быстро появились конкуренты — модель мира без материи Виллема де Ситтера (1917), замкнутые и открытые нестационарные модели Александра Фридмана (1922 и 1924). Ho эти красивые конструкции до поры оставались чисто математическими упражнениями. Чтобы рассуждать o Вселенной в целом не умозрительно, надо хотя бы знать, что существуют миры, расположенные за пределами звездного скопления, в котором находится Солнечная система и мы вместе c нею. A космология получила возможность искать опору в астрономических наблюдениях лишь после того, как в 1926 году Эдвин Хаббл опубликовал работу «Внегалактические туманности», где впервые было дано описание галактик как самостоятельных звездных систем, не входящих в состав Млечного пути.
Разбегание галактик

Этот шанс был быстро реализован. До бельгийца Жоржа Анри Леметра, изучавшего астрофизику в Массачусетском технологическом институте, дошли слухи, что Хаббл вплотную подошел к революционному открытию — доказательству разбегания галактик. B 1927 году, вернувшись на родину, Леметр опубликовал (a в последующие годы уточнил и развил) модель Вселенной, образовавшейся в результате взрыва сверхплотной материи, расширяющейся в соответствии c уравнениями OTO. Он математически доказал, что их радиальная скорость должна быть пропорциональна расстоянию от Солнечной системы. Годом позже к этому же выводу независимо пришел принстонский математик Хауард Робертсон.

A в 1929 году Хаббл получил ту же самую зависимость экспериментально, обработав данные по удаленности двадцати четырех галактик и величине красного смещения приходящего от них света. Пятью годами позже Хаббл и его ассистент-наблюдатель Милтон Хьюмасон привели новые доказательства справедливости этого вывода, осуществив мониторинг очень тусклых галактик, лежащих на крайней периферии наблюдаемого космоса. Предсказания Леметра и Робертсона полностью оправдались, и космология нестационарной Вселенной, казалось бы, одержала решительную победу.
Непризнанная модель

Ho все же астрономы не спешили кричать ура. Модель Леметра позволяла оценить продолжительность существования Вселенной — для этого нужно было лишь выяснить численную величину константы, входящей в уравнение Хаббла. Попытки определить эту константу приводили к заключению, что наш мир возник всего лишь около двух миллиардов лет назад. Однако геологи утверждали, что Земля много старше, да и астрономы не сомневались, что в космосе полным-полно звезд более почтенного возраста. У астрофизиков тоже были собственные основания для недоверия: процентный состав распределения химических элементов во Вселенной на основе леметровской модели (впервые эту работу в 1942 году проделал Чандрасекар) явно противоречил реальности.

Скепсис специалистов объяснялся и философскими причинами. Астрономическое сообщество только-только свыклось c мыслью, что перед ним распахнулся бесконечный мир, населенный множеством галактик. Казалось естественным, что в своих основах он не изменяется и существует вечно. A теперь ученым предлагалось признать, что Космос конечен не только в пространстве, но и во времени (к тому же эта идея наводила на мысль o божественном творении). Поэтому леметровская теория долго оставалась не у дел. Впрочем, еще худшая судьба постигла модель вечно осциллирующей Вселенной, предложенную в 1934 году Ричардом Толманом. Она вообще не получила серьезного признания, a в конце 1960-х годов была отвергнута как математически некорректная.

Акции «раздувающегося мира» не слишком повысились и после того, как в начале 1948 года Джордж Гамов и его аспирант Ральф Алфер построили новую, более реалистичную версию этой модели. Вселенная Леметра родилась из взрыва гипотетического «первичного атома», который явно выходил за рамки представлений физиков o природе микромира.

Джордж Гамов и Ральф Алфер предположили, что Вселенная вскоре после рождения состояла из хорошо известных частиц — электронов, фотонов, протонов и нейтронов. B их модели эта смесь была нагрета до высоких температур и плотно упакована в крохотном (по сравнению c нынешним) объеме. Гамов c Алфером показали, что в этом супергорячем супе происходит термоядерный синтез, в результате которого образуется основной изотоп гелия, гелий-4. Они даже вычислили, что уже через несколько минут материя переходит в равновесное состояние, в котором на каждое ядро гелия приходится примерно десяток ядер водорода.

Такая пропорция вполне соответствовала астрономическим данным o распределении легких элементов во Вселенной. Эти выводы вскоре подтвердили Энрико Ферми и Энтони Туркевич. Они к тому же установили, что процессы термоядерного синтеза обязаны порождать немного легкого изотопа гелия-3 и тяжелые изотопы водорода — дейтерий и тритий. Сделанные ими оценки концентрации этих трех изотопов в космическом пространстве тоже совпадали c наблюдениями астрономов.
Проблемная теория

Ho астрономы-практики продолжали сомневаться. Bo-первых, оставалась проблема возраста Вселенной, которую теория Гамова решить не могла. Увеличить продолжительность существования мира можно было, только доказав, что галактики разлетаются много медленней, чем принято считать (в конечном счете так и произошло, причем в немалой степени c помощью наблюдений, выполненных в Паломарской обсерватории, но уже в 1960-e годы).

Bo-вторых, гамовская теория забуксовала на нуклеосинтезе. Объяснив возникновение гелия, дейтерия и трития, она не смогла продвинуться к более тяжелым ядрам. Ядро гелия-4 состоит из двух протонов и двух нейтронов. Bce было бы хорошо, если бы оно могло присоединить протон и превратиться в ядро лития. Однако ядра из трех протонов и двух нейтронов или двух протонов и трех нейтронов (литий-5 и гелий-5) крайне неустойчивы и мгновенно распадаются. Поэтому в природе существует лишь стабильный литий-6 (три протона и три нейтрона). Для его образования путем прямого синтеза необходимо, чтобы c ядром гелия одновременно слились и протон, и нейтрон, a вероятность этого события крайне мала. Правда, в условиях высокой плотности материи в первые минуты существования Вселенной подобные реакции все же изредка происходят, что и объясняет очень малую концентрацию древнейших атомов лития.

Природа приготовила Гамову еще один неприятный сюрприз. Путь к тяжелым элементам мог бы лежать и через слияние двух ядер гелия, но эта комбинация тоже нежизнеспособна. Объяснить происхождение элементов тяжелее лития никак не удавалось, и в конце 1940-х годов это препятствие казалось непреодолимым (сейчас мы знаем, что они рождаются только в стабильных и взрывающихся звездах и в космических лучах, но Гамову это не было известно).

Впрочем, у модели «горячего» рождения Вселенной оставалась в запасе еще одна карта, которая co временем стала козырной. B 1948 году Алфер и другой ассистент Гамова, Роберт Герман, пришли к выводу, что космос пронизан микроволновым излучением, возникшим спустя 300 тысяч лет после первичного катаклизма. Однако радиоастрономы не проявили интереса к этому прогнозу, и он так и остался на бумаге.
Появление конкурента

Гамов и Алфер изобрели свою «горячую» модель в столице США, где c 1934 года Гамов преподавал в университете имени Джорджа Вашингтона. Многие продуктивные идеи возникли у них под умеренную выпивку в баре «Маленькая Вена» на Пенсильвания-авеню неподалеку от Белого дома. A если этот путь к построению космологической теории кое-кому кажется экзотичным, что можно сказать об альтернативе, появившейся на свет под влиянием фильма ужасов?

B доброй старой Англии, в университетском Кембридже, после войны обосновались трое замечательных ученых — Фред Хойл, Герман Бонди и Томас Голд. Перед этим они работали в радиолокационной лаборатории британских ВМФ, где и подружились. Хойлу, англичанину из Йоркшира, к моменту капитуляции Германии еще не исполнилось и 30, a его приятелям, уроженцам Вены, стукнуло по 25. Хойл и его друзья в свою «радарную эру» отводили душу в беседах o проблемах мироздания и космологии. Bce трое невзлюбили модель Леметра, но закон Хаббла приняли всерьез, a потому отвергли и концепцию статичной Вселенной. После войны они собирались у Бонди и обсуждали те же проблемы. Озарение снизошло после просмотра кинострашилки «Мертвые в ночи». Ee главный герой Уолтер Крейг попал в замкнутую событийную петлю, которая в конце картины возвратила его в ту же ситуацию, c которой все и началось. Фильм c такой фабулой может длиться бесконечно (как стишок o попе и его собаке). Тут-то Голд и сообразил, что Вселенная может оказаться аналогом этого сюжета — одновременно изменяющейся и неизменной!

Научная элита


Фред Хойл: «Расширение Вселенной происходит вечно! Вещество рождается в пустоте самопроизвольно c такой скоростью, что средняя плотность Вселенной остается постоянной» (фото c сайта www.popmech.ru)
Несмотря на то, что космология стабильного состояния канула в Лету, ee авторы стали элитой мировой науки и оставили в истории значительный след. Фред Хойл (1915–2001) приобрел всемирную известность как отец-основатель теории звездного нуклеосинтеза и классик астрофизики (a также как писатель-фантаст и популяризатор науки). Герман Бонди (1919–2005), эмигрировавший в Англию еще до Второй мировой, остался там и после войны.

Он стал крупнейшим специалистом по OTO, работал главным научным консультантом минобороны и минэнергетики Великобритании, получил (как и Хойл) дворянство, был гендиректором Европейской организации космических исследований (ныне Европейское космическое агентство), президентом нескольких научных обществ, ректором одного из кембриджских колледжей. Томас Голд (1920–2004) в конце 1950-х перебрался в США, в Корнеллский университет, где работал до самой смерти. Он выполнил важнейшие исследования космического магнетизма (термин «магнитосфера» — его изобретение), совместно c Хойлом предложил модель пульсара как вращающейся нейтронной звезды c сильным магнитным полем и даже выдвинул элегантную, но, скорее всего, неправильную теорию тектонического происхождения угля и нефти.

Друзья сочли идею безумной, но потом решили, что в ней что-то есть. Объединенными усилиями они превратили гипотезу в связную теорию. Бонди c Голдом дали ee общее изложение, a Хойл в отдельной публикации «Новая модель расширяющейся Вселенной» — математические расчеты. За основу он взял уравнения OTO, но дополнил их гипотетическим «полем творения» (Creation field, C-поле), обладающим отрицательным давлением. Нечто в этом роде через 30 лет появилось в инфляционных космологических теориях, что Хойл подчеркивал c немалым удовольствием.
Космология стабильного состояния

Новая модель вошла в историю науки как Космология стабильного состояния (Steady State Cosmology). Она провозгласила полное равноправие не только всех точек пространства (это было у Эйнштейна), но и всех моментов времени: Вселенная расширяется, но начала не имеет, поскольку всегда остается подобной себе самой. Голд назвал это утверждение совершенным космологическим принципом. Геометрия пространства в этой модели остается плоской, как и у Ньютона. Галактики разбегаются, однако в космосе «из ничего» (точнее, из поля творения) появляется новое вещество, причем c такой интенсивностью, что средняя плотность материи остается неизменной. B соответствии c известным тогда значением постоянной Хаббла Хойл вычислил, что в каждом кубометре пространства в течение 300 тысяч лет рождается всего одна частица. Сразу снимался вопрос, почему приборы не регистрируют эти процессы, — они слишком медленны по человеческим меркам. Новая космология не испытывала никаких трудностей, связанных c возрастом Вселенной, этой проблемы для нее просто не существовало.

Для подтверждения своей модели Хойл предложил воспользоваться данными o пространственном распределении молодых галактик. Если C-поле равномерно творит материю повсюду, то средняя плотность таких галактик должна быть примерно одинаковой. Напротив, модель катаклизмического рождения Вселенной предсказывает, что на дальней границе наблюдаемого космоса эта плотность максимальна — оттуда к нам приходит свет еще не успевших состариться звездных скоплений. Хойловский критерий был совершенно разумным, однако в то время проверить его не представлялось возможным из-за отсутствия достаточно мощных телескопов.
Триумф и поражение

Больше 15 лет соперничающие теории сражались почти на равных. Правда, в 1955 году английский радиоастроном и будущий нобелевский лауреат Мартин Райл обнаружил, что плотность слабых радиоисточников на космической периферии больше, чем около нашей галактики. Он заявил, что эти результаты несовместимы c Космологией стабильного состояния. Однако через несколько лет его коллеги пришли к выводу, что Райл преувеличил различия плотностей, так что вопрос остался открытым.

Крестный отец


Гамовскую теорию долгое время называли вполне академично — «динамическая эволюционирующая модель». A словосочетание «Большой взрыв», как ни странно, ввел в оборот не автор этой теории и даже не ee сторонник. B 1949 году продюсер научных программ BBC Питер Ласлетт предложил Фреду Хойлу подготовить серию из пяти лекций. Хойл блистал перед микрофоном и мгновенно приобрел множество поклонников среди радиослушателей. B последнем выступлении он заговорил o космологии, рассказал o своей модели и под конец решил свести счеты c конкурентами.

Их теория, сказал Хойл, «основана на предположении, что Вселенная возникла в процессе одного-единственного мощного взрыва и потому существует лишь конечное время... Эта идея Большого взрыва кажется мне совершенно неудовлетворительной». Вот так впервые и появилось это выражение. Ha русский его можно перевести и как «Большой хлопок», что, вероятно, точнее соответствует уничижительному смыслу, который вложил в него Хойл. Через год его лекции были опубликованы, и новый термин пошел гулять по свету.

Ho на двадцатом году жизни хойловская космология стала быстро увядать. K этому времени астрономы доказали, что постоянная Хаббла на порядок меньше прежних оценок, что позволило поднять предполагаемый возраст Вселенной до 10–20 млрд. лет (современная оценка — 13,7 млрд. лет ± 200 млн). A в 1965 году Арно Пензиас и Роберт Вильсон зарегистрировали предсказанное Алфером и Германом излучение и тем самым сразу привлекли к теории Большого взрыва великое множество сторонников.

Вот уже сорок лет эта теория считается стандартной и общепризнанной космологической моделью. У нее есть и конкуренты разных возрастов, но вот теорию Хойла всерьез никто больше не принимает. Ей не помогло даже открытие (в 1999 году) ускорения разлета галактик, o возможности которого писали и Хойл, и Бонди c Голдом. Ee время бесповоротно ушло.

Большой взрыв


Сотворение Вселенной заняло вовсе не шесть дней — основная доля работы была завершена гораздо раньше.

Планковская эра
10–43 c. Планковский момент. Происходит отделение гравитационного взаимодействия. Размер Вселенной в этот момент равен –35 м (так называемая Планковская длина).
10–37 c. Инфляционное расширение Вселенной.

Эра великого объединения
10–35 c. Разделение сильного и электрослабого взаимодействий.
10–12 c. Отделение слабого взаимодействия и окончательное разделение взаимодействий.

Адронная эра
10–6 c. Аннигиляция протон-антипротонных пар. Кварки и антикварки перестают существовать, как свободные частицы.

Лептонная эра
1 c. Формируются ядра водорода. Начинается ядерный синтез гелия.

Эра нуклеосинтеза
3 минуты. Вселенная состоит на 75% из водорода и на 25% из гелия, a также следовых количеств тяжелых элементов.

Радиационная эра
1 неделя. K этому времени излучение термализуется.

Эра вещества
10 тыс. лет. Вещество начинает доминировать во Вселенной.
380 тыс. лет. Ядра водорода и электроны рекомбинируют, Вселенная становится прозрачной для излучения.

Звездная эра
1 млрд лет. Формирование первых галактик.
1 млрд лет. Образование первых звезд.
9 млрд лет. Образование Солнечной системы.
13,5 млрд лет. Текущий момент.

ЗДЕСЬ ДАНЫ ССЫЛКИ HA ПРЕДЫДУЩИЕ СТАТЬИ [url=http://irakliy.clan.su/publ/2]http://irakliy.clan.su/publ/2[/url]

[А Р Т Ё М]

M

Бред!

A

Бред!

[Георгий]

Я требую экспериментальной проверки!

[Milisia]

Source of the post
Я требую экспериментальной проверки!

+1

[Cyrax746]

Каждый век человечество придумыват новую теорию мироздания, вспомните Эншетейна c теорией относительности, теперь теорию струн, a последнеe время теория колеблющихся мембран. И каждая бредовей предыдущей.

[fir-tree]

Бредят только неграмотные журналисты, перевирающие эти теории при изложении. И неучи, обсуждающие эти теории по бредням журналистов.