2014-04-11

Суперник Великого Вибуху

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 0.00 (0 голосів)

Всесвіт

Теорія Великого вибуху зараз вважається настільки ж безсумнівною, як і система Коперника. Однак до другої половини 1960-х вона аж ніяк не користувалася загальним визнанням, і не тільки тому, що багато вчених з порога заперечували саму ідею розширення Всесвіту. Просто у цієї моделі був серйозний конкурент.

Через 7 років космологія як наука зможе відзначати свій столітній ювілей. У 1917 році Альберт Ейнштейн усвідомив, що рівняння загальної теорії відносності дозволяють обчислювати фізично розумні моделі світобудови. Класична механіка та теорія гравітації такої можливості не дають: Ньютон намагався побудувати загальну картину Всесвіту, проте за всіх умов вона неминуче колапсує під дією сили тяжіння.

Ейнштейн рішуче не вірив у початок і кінець світобудови і тому придумав вічно існуючий статичний Всесвіт. Для цього йому знадобилося ввести в свої рівняння особливу компоненту, яка створювала «антитяжіння» і тим самим формально забезпечувала стабільність світобудови. Це доповнення (так званий космологічний член) Ейнштейн вважав неелегантним, потворним, але все-таки необхідним (автор даремно не повірив своєму естетичному чуттю - пізніше було доведено, що статична модель нестійка і тому фізично безглузда).

У моделі Ейнштейна швидко з'явилися конкуренти - модель світу без матерії Віллема де Сіттера (1917 рік), замкнуті і відкриті нестаціонарні моделі Александра Фрідмана (1922 і 1924 роки). Але ці красиві конструкції залишалися суто математичними вправами. Щоб міркувати про Всесвіт у цілому, треба хоча б знати, що існують світи, розташовані за межами зоряного скупчення, в якому знаходиться Сонячна система і ми разом з нею. А космологія отримала можливість шукати опору в астрономічних спостереженнях лише після того, як в 1926 році Едвін Хаббл опублікував роботу «позагалактичні туманності», де вперше було дано опис галактик як самостійних зоряних систем, що не входять до складу Чумацького шляху. 

Цей шанс був швидко реалізований. До бельгійця Жоржа Анрі Леметра, що вивчав астрофізику в Масачусетському технологічному інституті, дійшли чутки, що Хаббл впритул підійшов до революційного відкриття - доказу розбігання галактик. У 1927 році, повернувшись на батьківщину, Леметр опублікував (а в наступні роки уточнив і розвинув) модель Всесвіту, який утворився в результаті вибуху надщільної матерії, що розширюється відповідно до рівнянь ЗТВ (загальної теорії відносності). Він математично довів, що їх радіальна швидкість повинна бути пропорційна відстані від Сонячної системи. Роком пізніше до цього ж висновку незалежно прийшов Прінстонський математик Хауард Робертсон.

А в 1929 році Хаббл одержав ту ж саму залежність експериментально, обробивши дані щодо віддаленості двадцяти чотирьох галактик і величини червоного зміщення світла, що приходить від них. П'ятьма роками пізніше Хаббл і його асистент-спостерігач Мілтон Хьюмасон надали нові докази справедливості цього висновку, здійснивши моніторинг дуже тьмяних галактик, що лежать на крайній периферії спостережуваного космосу. Прогнози Леметра і Робертсона повністю виправдалися, і космологія нестаціонарного Всесвіту, здавалося б, здобула рішучу перемогу.

Але все ж астрономи не поспішали кричати "ура". Модель Леметра дозволяла оцінити тривалість існування Всесвіту - для цього потрібно було лише з'ясувати чисельну величину константи, що входить в рівняння Хаббла. Спроби визначити цю константу приводили до висновку, що наш світ виник всього лише близько двох мільярдів років тому. Однак геологи стверджували, що Земля набагато старіша, та й астрономи не сумнівалися, що в космосі повним-повнісінько зірок більш поважного віку. У астрофізиків теж були власні підстави для недовіри: процентний склад розподілу хімічних елементів у Всесвіті на основі леметрівської моделі (вперше цю роботу в 1942 році проробив Чандрасекара) явно суперечив реальності.

Скепсис фахівців пояснювався і філософськими причинами. Астрономічна спільнота тільки-тільки звиклися з думкою, що перед ним відчинився нескінченний світ, населений безліччю галактик. Здавалося природним, що в своїх основах він не змінюється і існує вічно. А тепер ученим пропонувалося визнати, що Космос скінченний не тільки в просторі, але і в часі (до того ж ця ідея наводила на думку про божественне творіння). Тому леметрівська теорія довго залишалася не при справах. Втім, ще гірша доля спіткала модель вічно осцилюючого Всесвіту, яка була запропонована в 1934 році Річардом Толманом. Вона взагалі не отримала серйозного визнання, а в кінці 1960-х років була відкинута як математично некоректна.

Акції «світу, що роздувається» не дуже підвищилися і після того, як на початку 1948 року Джордж Гамов та його аспірант Ральф Алфер побудували нову, більш реалістичну версію цієї моделі. Всесвіт Леметра народився з вибуху гіпотетичного «первинного атома», який явно виходив за рамки уявлень фізиків про природу мікросвіту.

Джордж Гамов та Ральф Алфер припустили, що Всесвіт незабаром після народження складався з добре відомих частинок - електронів, фотонів, протонів і нейтронів. У їх моделі ця суміш була нагріта до високих температур і щільно упакована в крихітному (порівняно з нинішнім) об’ємі. Гамов з Алфером показали, що в цьому супергарячому супі відбувається термоядерний синтез, в результаті якого утворюється основний ізотоп гелію, гелій-4. Вони навіть вирахували, що вже через кілька хвилин матерія переходить в рівноважний стан, в якому на кожне ядро гелію припадає приблизно десяток ядер водню.

Така пропорція цілком відповідала астрономічним даними про розподіл легких елементів у Всесвіті. Ці висновки незабаром підтвердили Енріко Фермі і Ентоні Туркевич. Вони до того ж встановили, що процеси термоядерного синтезу зобов'язані породжувати трохи легкого ізотопу гелію-3 та важкі ізотопи водню - дейтерій і тритій. Зроблені ними оцінки концентрації цих трьох ізотопів у космічному просторі теж збігалися зі спостереженнями астрономів.

Але астрономи-практики продовжували сумніватися. По-перше, залишалася проблема віку Всесвіту, який теорія Гамова вирішити не могла. Збільшити тривалість існування світу можна було, лише довівши, що галактики розлітаються багато повільніше, ніж прийнято вважати (у кінцевому рахунку так і сталося, причому значною мірою з допомогою спостережень, виконаних у Паломарській обсерваторії, але вже в 1960-і роки).

По-друге, Гамівська теорія забуксувала на нуклеосинтезі. Пояснивши виникнення гелію, дейтерію і тритію, вона не змогла просунутися до важчих ядер. Ядро гелію-4 складається з двох протонів і двох нейтронів. Все було б добре, якби воно могло приєднати протон і перетворитися на ядро літію. Однак ядра з трьох протонів і двох нейтронів або двох протонів і трьох нейтронів (літій-5 і гелій-5) украй нестабільні і миттєво розпадаються. Тому в природі існує лише стабільний літій-6 (три протони і три нейтрони). Для його утворення шляхом прямого синтезу необхідно, щоб з ядром гелію одночасно злилися і протон, і нейтрон, а ймовірність цієї події вкрай мала. Правда, в умовах високої щільності матерії в перші хвилини існування Всесвіту подібні реакції все ж зрідка відбуваються, що й пояснює дуже малу концентрацію найдавніших атомів літію.

Природа приготувала Гамову ще один неприємний сюрприз. Шлях до важких елементів міг би лежати і через злиття двох ядер гелію, але ця комбінація теж нежиттєздатна. Пояснити походження елементів важчих за літій ніяк не вдавалося, і в кінці 1940-х років ця перешкода здавалася непереборною (зараз ми знаємо, що вони народжуються тільки в стабільних і вибухаючих зірках і в космічних променях, але Гамову це було не відомо).

Втім, у моделі «гарячого» народження Всесвіту залишалася в запасі ще одна карта, яка з часом стала козирною. У 1948 році Алфер та інший асистент Гамова, Роберт Герман, прийшли до висновку, що космос пронизаний мікрохвильовим випромінюванням, яке виникло через 300 тисяч років після первинного катаклізму. Однак радіоастрономи не виявили цікавості до цього прогнозу, і він так і залишився на папері.

Гамов та Алфер винайшли свою «гарячу» модель у столиці США, де з 1934 року Гамов викладав в університеті імені Джорджа Вашингтона. Багато продуктивних ідей виникли у них під помірну випивку в барі «Маленький Відень» на Пенсільванія-авеню неподалік від Білого дому. А якщо цей шлях до побудови космологічної теорії декому здається екзотичним, що можна сказати про альтернативу, що з'явилася на світ під впливом фільму жахів?

У добрій старій Англії, в університетському Кембриджі, після війни влаштувалися троє чудових учених - Фред Хойл, Герман Бонді і Томас Голд. Перед цим вони працювали в радіолокаційній лабораторії британського ВМФ, де і подружилися. Хойлу, англійцю з Йоркшира, до моменту капітуляції Німеччини ще не виповнилося 30, а його приятелям, уродженцям Відня, стукнуло по 25. Хойл і його друзі в свою «радарну еру» відводили душу в розмовах про проблеми світобудови і космології. Всі троє не злюбили модель Леметра, але закон Хаббла сприйняли серйозно, а тому відкинули і концепцію статичного Всесвіту. Після війни вони збиралися у Бонді і обговорювали ті ж проблеми. Осяяння зійшло після перегляду кінострашилки «Мертві в ночі». Її головний герой Уолтер Крейг потрапив в замкнуту подієву петлю, яка в кінці картини повернула його в ту саму ситуацію, з якою все і почалося. Фільм з такою фабулою може тривати нескінченно. Тут Голд і збагнув, що Всесвіт може виявитися аналогом цього сюжету - одночасно змінюватися і залишатися незмінним!

Друзі визнали ідею божевільною, але потім вирішили, що в ній щось є. Об'єднаними зусиллями вони перетворили гіпотезу в зв'язкову теорію. Бонді з Голдом дали її загальний виклад, а Хойл в окремій публікації «Нова модель Всесвіту, що розширюється» - математичні розрахунки. За основу він взяв рівняння ЗТВ, але доповнив її гіпотетичним «полем творіння» (Creation field, С-поле), що володіє негативним тиском. Щось у цьому роді через 30 років з'явилося в інфляційних космологічних теоріях, що Хойл підкреслював з чималим задоволенням.

Нова модель увійшла в історію науки як Космологія стабільного стану (Steady State Cosmology). Вона проголосила повну рівноправність не тільки всіх точок простору (це було у Ейнштейна), але і всіх моментів часу: Всесвіт розширюється, але початку не має, оскільки завжди залишається подібний самому собі. Голд назвав це твердження досконалим космологічним принципом. Геометрія простору в цій моделі залишається плоскою, як і у Ньютона. Галактики розбігаються, проте в космосі «з нічого» (точніше, з поля творіння) з'являється нова речовина, причому з такою інтенсивністю, що середня густина матерії залишається незмінною. Відповідно з відомим тоді значенням постійної Хаббла Хойл обчислив, що в кожному кубометрі простору протягом 300 тисяч років народжується всього одна частинка. Відразу знімалося питання, чому прилади не реєструють ці процеси, - вони занадто повільні за людськими мірками. Нова космологія не відчувала ніяких труднощів, пов'язаних з віком Всесвіту, цієї проблеми для неї просто не існувало.

Для підтвердження своєї моделі Хойл запропонував скористатися даними про просторовий розподіл молодих галактик. Якщо С-поле рівномірно творить матерію всюди, то середня густина таких галактик має бути приблизно однаковою. Навпаки, модель катаклізматичного народження Всесвіту прогнозує, що на дальній межі спостережуваного космосу ця густина максимальна - звідти до нас приходить світло зоряних скупчень, яку ще не встигли постаріти. Хойловский критерій був абсолютно розумним, однак у той час перевірити його не було можливо через відсутність досить потужних телескопів.

Більше 15 років теорії змагалися майже на рівних. Правда, в 1955 році англійський радіоастроном і майбутній нобелівський лауреат Мартін Райл виявив, що густина слабких радіоджерел на космічній периферії більша, ніж близько нашої галактики. Він заявив, що ці результати несумісні з космологією стабільного стану. Однак через кілька років його колеги прийшли до висновку, що Райл перебільшив відмінності густин, так що питання залишилося відкритим.

Але на двадцятому році життя хойлівська космологія стала швидко в'янути. До цього часу астрономи довели, що постійна Хаббла на порядок менша від колишніх оцінок, що дозволило підняти передбачуваний вік Всесвіту до 10-20 млрд. років (сучасна оцінка - 13,7 млрд. років ± 200 млн.). А в 1965 році Арно Пензіас та Роберт Вільсон зареєстрували прогнозоване Алфером і Германом випромінювання і тим самим відразу привернули до теорії Великого вибуху безліч прихильників.

Ось уже сорок років ця теорія вважається стандартною і загальновизнаною космологічною моделлю. У неї є і конкуренти різного віку, але от теорію Хойла всерйоз ніхто більше не бере. Їй не допомогло навіть відкриття (у 1999 році) прискорення розльоту галактик, про можливість якого писали і Хойл, і Бонді з Голдом. Її час безповоротно вичерпаний.

За матеріалами popmech.ru.

Коментарі:

blog comments powered by Disqus