13,8. В поисках истинного возраста Вселенной и теории всего - страница 4

К середине 1940-х годов стало ясно (я подробнее расскажу об этом в главе 1), что большую часть видимой материи во Вселенной составляют водород и гелий. Яркие звезды и галактики состоят из водорода примерно на 75 % и из гелия примерно на 24 %. Оставшийся процент – это все остальное, включая состав планеты Земля и наших с вами организмов. Водород – самый простой элемент: каждый его атом состоит всего из одного протона и одного электрона. Исходя из того, что это базовый строительный блок материи, астрофизики не могли понять, как же сформировались прочие элементы.

Первым ученым, который применил космологические идеи в попытке понять происхождение химических элементов, стал Георгий Гамов – физик – эмигрант из СССР, в то время работавший в Университете Джорджа Вашингтона в столице США. Получив подтверждение того, что Вселенная непрерывно расширяется – тогда это открытие только было сделано (подробнее см. главу 6), – Гамов первым всецело поддержал идею, что она образовалась из исходного плотного и горячего состояния под влиянием того, что мы сегодня называем Большим взрывом. Он предположил, что изначально существовал горячий, плотный газ, состоящий из нейтронов. Эти нестабильные незаряженные частицы легко распадаются на один протон и один электрон, образуя атомы водорода. Если перед Большим взрывом температура и плотность были достаточно высокими, протоны (ядра атомов водорода) могли объединяться попарно (этот процесс называется слиянием ядер), образуя вместо водорода дейтерий (тяжелый водород). Дальнейшие столкновения сформировали ядра гелия, состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Гамов поручил аспиранту Ральфу Альферу[12] рассчитать, насколько эффективным мог быть этот процесс, и совместно с ним выяснил, что, хотя получить таким образом гелий действительно несложно, более тяжелые элементы просто не успели бы сформироваться до того, как расширяющаяся Вселенная остыла бы до прекращения процесса слияния ядер. Гамова это не смутило. Никогда не сомневавшийся в своих силах ученый заявил, что его теория объясняет происхождение 99 % видимой Вселенной, так что остальное – всего лишь детали, которые можно оставить для выяснения другим исследователям.

Проведенные расчеты легли в основу докторской диссертации Ральфа Альфера и были опубликованы в журнале Physical Review[13] в 1948 году. Неуемный шутник Георгий Гамов решил включить в число авторов своего друга Ганса Бете[14], поскольку ряд «Альфер, Бете, Гамов» напоминал начало греческого алфавита: альфа, бета, гамма. Альфер был огорчен тем, что ему досталась лишь треть признания за эту важную работу, но повлиять на решение руководителя не мог и утешался тем, что его имя стояло первым. Эту работу и сегодня называют «исследование альфа-бета-гамма». Оно стало ключевым шагом в космологии уже потому, что впервые доказало возможность проведения научных расчетов в рамках теории Большого взрыва. Однако вопрос происхождения всех элементов, помимо водорода и гелия, оставался без ответа.

Неясность с происхождением элементов (ядерным синтезом) стала одной из причин, по которой в том же 1948 году Германом Бонди, Томми Голдом[15] и Фредом Хойлом была выдвинута альтернатива Большому взрыву – теория стационарной Вселенной. В основе их концепции лежала идея, что хотя Вселенная и расширяется (скопления звезд, называемые галактиками, отходят дальше друг от друга), она не образовалась в конкретный момент времени из некоего горячего и плотного состояния, а всегда имела приблизительно нынешний вид. По мере расширения в промежутках между галактиками возникает новая материя в виде атомов водорода, которая затем включается в новые звезды и галактики. Далее внутри звезд происходит ядерный синтез. Этот процесс представляется намного более медленным, чем ядерный синтез, описанный Гамовым и его коллегами в рамках теории Большого взрыва, но, поскольку теория стационарной Вселенной предполагает, что она существует неограниченный период времени, это не проблема. Как мы увидим в дальнейшем, Хойл сделал особенно значительный вклад в разработку понимания ядерного синтеза внутри звезд, и некоторое время в конце 1950-х годов ему удавалось отбрасывать теорию Большого взрыва как ненужную (интересно, что он случайно придумал сам термин «Большой взрыв», рассказывая о нем в радиопередаче ВВС). Однако Хойл обнаружил, что, хотя ядерный синтез внутри звезд действительно объяснял возникновение пресловутого 1 % материи, объяснить происхождение всего гелия во Вселенной с его помощью было невозможно. Для интерпретации всех элементов в видимой Вселенной необходимо было использовать еще и идею ядерного синтеза согласно теории Большого взрыва… Однако мы забегаем вперед.