«Big bang», или «Большой взрыв», в науке о происхождении вселенной

Итак, вы помните, уважаемый читатель, что аббат Леметр дал идею «рождения» вселенной. При этом он предусмотрительно не доводил кривую изменения радиуса кривизны до начала координат. Да и сами оси предпочитал рисовать с разрывом в этой «особой» точке. Нет, о начальном периоде развития вселенной профессор Леметр предпочитал не говорить вообще...

Гамов заинтересовался именно началом. Его не устраивали названия — «первичный атом». Он предпочел назвать ком первичной, плотно спрессованной и раскаленной праматерии, на холящейся в «довзорвавшемся» состоянии, илемом, позаимствовав этот термин у Аристотеля. (Стагирский философ обозначал так основную субстанцию вселенной.)

По мнению Гамова, эволюция вселенной разбивается на пять стадий. Сначала илем состоял из очень сжатой (плотной) массы водорода, у которого все электроны оболочек вдавлены в протоны ядер, а возникшие в результате этой операции нейтроны сжались еще до предела, образовав однородную массу колоссальной плотности да еще находящуюся при весьма высокой температуре.

В 1948 году Гамов вместе с соавторами Р. Альфером, Г. Бете, фамилии которых удачно образовывали начало греческого алфавита, дал «альфа, бета, гамма-теорию» образования элементов в результате взрыва илема. (Истины ради надо сказать, что Бете никакого участия в этой работе не принимал и его имя понадобилось Гамову для изящества заголовка.) Указанная теория предполагала, что илем разлетелся буквально на отдельные нейтроны. Нейтроны же в существовавших адских условиях быстро распадались на электроны и протоны.

Посмотрите на рисунки. На них представлены пять стадий, или пять эпизодов, из истории вселенной Гамова. Каждый из них помечен временем, в течение которого занавес был поднят.

Итак, первый акт — 0 ? 5 минут от «начала». Илем только что взорвался. Вы видите в кадре смесь частиц. Флегматичные нейтроны, не выдержав чудовищных температур, распадаются на протоны и электроны, сопровождаемые юркими фотонами. В такой «атмосфере»», несмотря на «тесноту», частицы движутся с энергией, которую можно сравнить с энергией современных ускорителей. В недрах илема яростно кипят, ядерные реакции — частицы, сталкиваясь, образовывают ядра легких элементов, которые тут же распадаются...

Второй акт — от пятой минуты до получаса родившегося времени. Это уже не илем, но еще и не вселенная. Вместе с расширением падает температура. Надо полагать, что подобный процесс не является новостью для эрудированного читателя. Вспомните — ведь это не что иное, как хорошо знакомый принцип работы обыкновенного холодильника.

Полчаса непрерывного взрыва достаточно, чтобы заготовить основное количество стройматериала для всей дальнейшей работы. Читатель, конечно, знает, что свободные нейтроны имеют период полураспада всего 12—13 минут. И через полчаса их остается слишком мало для того, чтобы реакции могли идти с прежней легкостью. Вместе с протонами нейтроны образуют дейтоны и тритоны, ядра гелия и других, более тяжелых элементов. Тридцать минут спустя от всего первоначального количества нейтронов остается примерно восьмая часть... Реакции синтеза затухают...

«Big bang», или «Большой взрыв», в науке о происхождении вселенной

Следующий, третий акт занимает период от тридцатой минуты «действа» до двухсотпятидесятимиллионного года существования. Автор надеется, что читатель понимает, насколько следует доверять приводимым цифрам. Гипотеза есть гипотеза, и самое большое, на что может претендовать ее творец, — это примерный порядок совпадения величин... Итак, через полчаса после взрыва образовавшиеся ядра приступили к ловле бездомных электронов и стали образовывать атомы. Атомы скапливались в облака, которые в дальнейшем дали начало галактикам и звездам. Этот период Гамов характеризует возникновением протогалактики...

Акт четвертый — первый миллиард существования на исходе. Во вселенной возникли галактики, в недрах которых зарождаются протозвезды и, может быть, даже протопланеты.

И наконец, последний акт охватывал следующие четыре миллиарда лет и заканчивался в нашем с вами времени. Всего получалось примерно 5 миллиардов! Но внимательного читателя это не должно удивлять, потому что он помнит, как в шестидесятых годах нашего столетия произошла переоценка временной шкалы в сторону, ее увеличения, и пять миллиардов лет вселенной превратились в тринадцать! Впрочем, этот факт еще найдет себе место в нашей книжке. К сожалению, сложная и путаная история космологии не позволяет выстроить все события последовательно в хронологическом порядке. И отступления, забегания вперед неизбежны так же, как неизбежны и некоторые повторения.

Наглядность гипотез Леметра и Гамова привлекли к ним всеобщее внимание. По мнению многих сторонников гипотезы, такой взрыв чем-то должен быть очень похож на взрыв атомной или водородной бомбы; только, понятно, сверхбомбы, супербомбы, сверх-супер-ультра- и т. д. бомбы, бомбы, представить которую себе трудно, просто невозможно, даже обладая сверхфантастическим воображением. Это сравнение, возникшее в период «атомно-водородного бума», распространилось среди самых широких масс. Правда, может быть, причина этого сравнения кроется в том, что именно физики — участники разработки водородного оружия — и были главными болельщиками гипотезы «big bang'a».

Конечно, смущала всех сингулярность, присущая этой модели. Та самая пресловутая особая точка, или нуль-пункт вселенной. И еще смущало то, что в гипотезе так много внимания уделяется первым тридцати минутам после взрыва. Ведь возраст вселенной насчитывает миллиарды лет... По этому поводу уместно предоставить слово самому автору теории.

«Многие люди,— рассуждает Гамов, — считают, что не имеет физического смысла говорить о получасе или часе, который был 5 (сейчас по новой шкале соответственно 10—13 — А. Т.) миллиардов лет назад. Чтобы ответить им, я предлагаю: посмотрим на место в Неваде, где была взорвана несколько лет назад атомная бомба. Это место еще «горячо» из-за существования долгоживущих продуктов взрыва. Для того, чтобы создать эти продукты, достаточно было миллионной доли секунды. Простая арифметика показывает, что период, прошедший с момента этого взрыва, во столько же раз больше микросекунды, во сколько 5 (соответственно читай 10—13 — А. Т.) миллиардов лет больше «того» получаса! Но ведь от этой разницы мгновение взрыва не стало для нас менее интересным и менее существенным».

Если все было именно так, как предполагал Гамов, то и сегодня где-нибудь во вселенной можно отыскать следы колоссальных температур, царствовавших в первые мгновения «большого взрыва»?.. Ну пусть хоть «остывшие остатки» каких-то первоначальных квантов...

Пока вещество находилось в ионизованном состоянии, оно представляло собой горячую плазму из электронов, протонов и ядер легких элементов (в основном гелия).

Плазма эта сначала находилась в динамическом равновесии. Это значит, что частицы излучают и поглощают одинаковые количества квантов электромагнитной энергии. Температура излучения находится в полном соответствии с температурой плазмы. Но постепенно расстояния между частицами увеличиваются. (Ведь взрыв сообщил им громадные скорости разбегания.) Теперь, чтобы излученный квант энергии мог добраться до частицы, способной его поглотить, нужно было время. В пути энергия кванта уменьшается.

Таким образом, с расширением вселенной температура излучения падает. Чем дальше лететь кванту, тем «холоднее» он должен становиться. (Вспомните, что красное смещение от далеких галактик больше, чем от близких.)

Через несколько сотен тысячелетий после «начала» температура уже изрядно «разжижившейся» среды падает примерно до трех-четырех тысяч градусов. Теперь уже не все излученные кванты поглощаются возбужденными частицами. Среда становится «прозрачной» для излучения, оно как бы «отрывается» от нее и начинает «гулять» по вселенной. Вот эти-то электромагнитные волны и должны бы дожить до наших дней, пусть «постаревшие», «охладившиеся». Расчеты теоретиков показали, что, добравшись до нас, до нашего времени, это излучение должно иметь температуру не выше трех-четырех градусов по Кельвину.

Значит, «горячая» модель Гамова требовала, чтобы в наши дни во вселенной можно было обнаружить излучение в 3—4°К. В 1948 году средств для подобных наблюдений еще не существовало. Радиоастрономия в послевоенные годы только начинала свой «марш-бросок», и измерение излучения столь низких температур казалось радиоастрономам тех лет делом совершенно безнадежным.

«Big bang»

В середине XX столетия, впрочем, как и во все другие времена, когда человечество оказывалось незанятым на фронтах, вторая мировая война уступила место войне «холодной». Вопросы происхождения вселенной снова оказались в центре ожесточенной идеологической борьбы.

Одно из наиболее влиятельных направлений идеалистической философии — неотомизм. Неотомисты широко пользуются введенным Фомой Аквинским еще в XIII веке принципом гармонии разума и веры, с особой охотой используя нерешенные вопросы науки для защиты религиозных догматов. Недаром еще в 1879 году неотомизм был объявлен официальной философской доктриной католической церкви. А в 1951 году папа римский Пий XII выступил с большой речью, призывая признать достижения современной науки в качестве доказательств всемогущества бога.

Часть ученых — представителей материалистического направления — поспешили решительно отмежеваться от идеалистических тенденций в космологии и... впали в другую крайность. Вместе с богом они отреклись от всей теории расширяющейся вселенной. Довольно долго среди материалистов «хорошим тоном» считалась верность идее бесконечной вселенной, тогда как релятивистская космология объявлялась «бесплодной математической игрой, лишенной какого бы то ни было астрономического значения»; общая же теория относительности рассматривалась как «математические упражнения, не имеющие ничего общего с космологией».

Так споры о моделях мира переплелись со спорами о мировоззрении двух непримиримых лагерей: материализма и идеализма.

Между тем спорящим сторонам предстояло договориться прежде всего о самом предмете спора. Потому что, как выяснилось, далеко не все представители бурно развивающейся космологии вкладывали в термин «вселенная» одинаковое понятие. Короче говоря, к середине текущего столетия космология представляла собой хорошо и со знанием дела перепутанный клубок противоречий. Распутывать его выпало на долю ученым нашего поколения.