Фред Хойл (Fred Hoyle, 1915–2001) занимает совершенно особое место в новейшей науке о Вселенной. Где-то с четверть века, с конца 1940-х до начала 1970-х, он был одним из самых известных теоретиков космических исследований не только у себя на родине, в Великобритании, но и в мировом масштабе. Широкая публика знала его как известнейшего радиолектора (если угодно, отчасти даже и шоумена), автора научно-популярных книг и фантастических романов, одного из создателей эффектной модели Вселенной, которая много лет считалась сильным конкурентом ныне общепринятой модели Большого взрыва.
Коллеги по профессии ценили прежде всего его фундаментальные работы по теории внутризвездных процессов, приводящих к рождению всех химических элементов за исключением трех самых легких — водорода, гелия и лития. Именно эти исследования, которые Хойл выполнял в одиночестве или с соавторами, стали его главным вкладом в фундаментальную астрофизику. Сюда же надо отнести модель превращения звезд главной последовательности в красные гиганты, которую Хойл в 1955 году опубликовал в соавторстве с Мартином Шварцшильдом. У Хойла были и другие важные работы, некоторые из них, даже оказавшись фактически неверными, проложили новые пути в астрофизике.
Но и это не всё. Хойлу было тесно в рамках основной специальности. Он отметился в климатологии, археологии, палеонтологии, молекулярной биологии и даже в общественных науках. Эти проявления его кипучей натуры оставим за кадром, в очередной раз вздохнув о невозможности объять необъятное.
Мальчик из литературной страны
Фред Хойл (именно так: Фред, а не Фредерик!) родился в разгар Великой войны, 24 июня 1915 года. Он появился на свет в старинной деревне Гилстед на западе графства Йоркшир, в местах, описанных Эмили Бронте в ее знаменитом романе «Грозовой перевал». Дед мальчика Джордж Хойл перебрался в Гилстед из соседнего Ланкашира. Сын Джорджа Бен в молодости эмигрировал в Америку, но потом вернулся в отцовский дом, чтобы помогать овдовевшей матери. Он с успехом занялся торговлей шерстяными тканями и в 1911 году женился на своей кузине, учительнице музыки Мейбл Пикард.
Скромное благополучие семьи закончилось в 1916 году, когда Бен Хойл ушел добровольцем на фронт, где до конца боев провоевал в пулеметных расчетах. Как жена солдата действующей армии Мейбл получала на себя и сына один шиллинг в день — полтора фунта в месяц. Прожить на эти деньги было почти невозможно, и Мейбл пошла работать. В молодости она училась музыке и стала неплохой пианисткой. Ей удалось устроиться тапером в кинотеатр в соседнем городке Бингли, где она играла по вечерам. Утренние и дневные часы она посвящала маленькому Фредди, с которым очень дружила.
Бен Хойл после демобилизации в 1919 году вернулся в торговлю текстилем и мало-помалу восстановил прежние заработки. Поэтому он смог отдать Фредди в частную школу, когда тому исполнилось шесть лет. Однако вскоре дела Бена Хойла пошли вразнос. Это было особенно некстати, поскольку в том же году у Хойлов родилась дочка Джоан, а Мейбл после родов серьезно захворала. В результате Фредди прервал занятия и вновь пошел в школу первой ступени только в 1922 году. Четыре года спустя он поступил в расположенную в Бингли среднюю школу, которую окончил летом 1933 года. Там он сначала увлекся химией, но потом настолько заинтересовался физикой и астрономией, что одолел хоть и популярную, но вовсе не простую книгу Эддингтона “Stars and Atoms”. Ему сильно повезло с учителем математики Аланом Смейлсом, который рано разглядел в мальчике замечательные способности к точным наукам и помог получить стипендию в кембриджском Эммануил-колледже.
В октябре 1933 года Фред Хойл прибыл в кампус второго по древности университета Британии, с которым судьба отныне связала его на четыре долгих десятилетия.
Предвоенные годы
В год поступления Хойла Кембридж принял четырнадцать сотен первокурсников. В Эммануил-колледж поступили 117 юношей, причем семеро должны были изучать математику и двадцать два — естественные науки. Хойла распределили во вторую группу, однако его тьютор Вуд вскоре позволил ему перевестись в математическую группу с условием вернуться к естественным наукам на втором курсе. В результате в свой первый год Хойл слушал курсы по алгебре, матанализу, статистике, теоретической механике, теории электромагнетизма и геометрии, которую преподавал сам Вуд. Так что 18-летний студент с самого начала получил солидную теоретическую подготовку кембриджского уровня. Незадолго до летних каникул он сдал первую часть математического трайпоса (традиционного кембриджского экзамена), причем столь успешно, что получил на следующий год 40-фунтовую стипендию и дополнительную награду в две гинеи. На втором курсе он, вопреки совету Вуда, так и остался в математической группе и со временем прекрасно сдал еще две части трайпоса, получив за третью особую медаль. Он также детально проработал фундаментальную монографию Эддингтона “The Mathematical Theory of Relativity” и великую книгу Дирака “The Principles of Quantum Mechanics”. Поскольку оба были кембриджскими профессорами, Хойл слушал их лекции. Занятиями у Дирака он восхищался, а стиль Эддингтона считал ужасным (и в этом был отнюдь не одинок!). На четвертом курсе он окончательно решил посвятить себя ядерной физике, которая тогда, после экспериментального открытия нейтрона, теоретического предсказания пионов и нейтрино, создания теории альфа- и бета-распада и изобретения первых ускорителей, стала вполне зрелой, быстро развивающейся и очень перспективной наукой. При этом Хойла не привлекали экспериментальные исследования, он видел себя только в роли физика-теоретика.
Однако в тогдашнем Кембридже непросто было найти достойного научного руководителя по этой части. Два столпа университетской теорфизики, Ральф Фаулер и Поль Дирак, много времени проводили за рубежом и не хотели нагружать себя опекой над студентами. К счастью, Хойлу удалось заинтересовать своей персоной Рудольфа Пайерлса, бывшего ассистента Вольфганга Паули в Цюрихском политехническом институте. После прихода к власти Гитлера Пайерлс перебрался в Англию, где сначала работал вместе с Гансом Бете в Манчестерском университете, а потом в Мондовской лаборатории Кембриджа. Он был крупным и к тому же универсальным физиком-теоретиком, выполнившем важные исследования по физике твердого тела, теории магнетизма и ядерной физике. Именно по этой дисциплине у него и специализировался Хойл, причем вполне успешно. В 1937 году он опубликовал — да не где-нибудь, а в Nature — свою первую научную статью, в которой рассмотрел возможные механизмы поглощения атомным ядром орбитальных электронов. Вскоре последовала и вторая, посвященная теории бета-распада.
Казалось, что будущее Фреда Хойла на ближайшие годы полностью определено — теоретическая атомная и ядерная физика. Однако в том же году его наставник получил и принял предложение занять кафедру прикладной математики в Бирмингемском университете. Хойл мог последовать за ним, но сохранил верность Кембриджу. К тому же позднее у него с Пайерлсом возник конфликт — в принципе, чисто научный, однако окрашенный, как это бывает, личными разногласиями. В результате Хойл был вынужден срочно искать нового шефа, хотя бы номинального, поскольку это требовалось для получения диплома. Сначала его согласился взять под крыло молодой физик-теоретик из Тринити-колледжа Морис Прайс, но в 1939 году он тоже покинул Кембридж ради места в Ливерпуле. Правда, их недолгое сотрудничество всё же повлияло на будущую карьеру Хойла. Кембриджский университет начал присуждать докторские степени по научным дисциплинам только в 1919 году — в основном для того, чтобы уменьшить отток способных студентов в университеты США. Прайс посоветовал Хойлу не тратить время на подготовку докторской диссертации. Он рекомендовал традиционный путь: опубликовать еще несколько серьезных статей и получить исследовательскую стипендию в хорошем колледже. Хойл послушался — и так и не стал PhD ни тогда, ни позже.
Отъезд Прайса вновь заставил Хойла искать руководителя. И тут ему по-настоящему повезло: в этом качестве согласился выступить Дирак. Гениальный основатель релятивистской квантовой механики редко брал дипломников, но его впечатлили первые статьи Хойла. Он посоветовал Фреду заняться квантовой электродинамикой, одной из сложнейших областей тогдашней фундаментальной физики. Хойл не обманул надежд нового шефа и в 1939 году опубликовал две большие статьи, напичканные (вполне в духе Дирака!) самой современной и в каком-то смысле даже экстравагантной математикой. Хотя квантовая электродинамика как согласованная теория поля была независимо создана американцами Джулианом Швингером и Ричардом Фейнманом и японцем Синъитиро Томонага только в конце 1940-х годов, Хойл своей работой о поведении электрона в электромагнитном поле внес вклад в подготовку ее будущего расцвета.
Как и предполагал Прайс, публикации Хойла обеспечили ему хорошую финансовую опору. В 1939 году он получил две исследовательские стипендии общей суммой 850 фунтов в год — в то время отличный заработок. Он купил свой первый автомобиль, а в самом конце декабря вступил в законный брак. Со своей невестой Барбарой Кларк он познакомился за несколько месяцев до того, в мае, когда она готовилась к поступлению в Кембридж, и полюбил с первого взгляда. Она стала Фреду замечательной женой на всю оставшуюся жизнь.
От аккреции к радарам
Когда Фред и Барбара сделались супругами, Польша уже пала под натиском вермахта, а на пограничной линии между Германией и Францией царило затишье, названное «странной войной». Но оно продолжалось недолго. В апреле 1940 года немецкие войска вторглись в Данию и Норвегию, а в мае — во Францию, Бельгию, Люксембург и Нидерланды. 14 июня без боя был сдан Париж, а 22-го в Компьене было подписано унизительное для Франции перемирие с Рейхом. 10 июня германская авиация начала массированные бомбардировочные рейды на британскую территорию1, которые продолжались до конца октября и в конечном счете были отбиты с большими потерями для немцев. Франция пала, но Британия продолжала сражаться.
В начале войны Хойл оставался в Кембридже. В 1939 году его избрали сочленом (fellow) Колледжа Святого Иоанна, и он оставался в этой должности до 1972 года. Там работал молодой (всего четырьмя годами старше Хойла) математик Реймонд Литлтон, который также занимался теоретической астрономией. Они с Хойлом не только надолго подружились, но и нашли проблему для совместных исследований. В то время астрофизики уже знали, что звезды получают энергию благодаря термоядерным реакциям. Хойл и Литлтон предположили, что есть и дополнительный источник — высвобождение гравитационной энергии в результате падения из окружающего пространства газопылевых частиц на поверхность звезд. Они вполне логично решили, что этот механизм энергетической подпитки через аккрецию межзвездного вещества особенно эффективен для звезд большой массы, которые благодаря ему не только обеспечивают свое свечение, но и набирают дополнительный вес и тем сильно увеличивают время жизни.
В 1939–1941 годах Хойл и Литлтон стали соавторами трех статей, где развивали свою гипотезу. Эти работы занимают интересное место в истории астрофизики. По сути они ошибочны — звезды живут за счет термояда, а их время жизни практически полностью определяется начальной массой. Не приходится удивляться, что эти работы не получили поддержки у коллег. Однако после открытия квазаров и нейтронных звезд в 1960-е годы астрофизики всерьез занялись проблемами аккреции. Например, в 1973 году американские астрофизики Крис Дэвидсон и Джереми Острайкер показали, что аккреция вещества от обычной звезды на спаренную с ней нейтронную объясняет интенсивную генерацию рентгеновского излучения. Внимание к процессам переноса плазмы в тесных двойных звездных системах особенно возросло, когда стало ясно, что такая аккреция ответственна за вспышки новых звезд и рождение сверхновых из белых карликов (речь, конечно, идет о сверхновых типа Ia). Тогда старые работы Хойла и Литлтона, равно как и опубликованная в 1944 статья Хойла и австрийского эмигранта Германа Бонди на сходную тему, были заново прочитаны и оценены по достоинству. Сейчас признано, что Бонди, Хойл и Литлтон могут считаться основоположниками теоретического моделирования аккреционных процессов. Более того, они развили такие методы их теоретического моделирования, которые помогли и позднейшим исследователям.
Когда Хойл и Литлтон только занялись своей гипотезой, им надо было для начала решить, из чего может состоять межзвездное вещество. Они выбрали нейтральный водород — и не ошиблись. Конечно, это была чистая догадка, если угодно — спекуляция, однако со временем она оправдалась. В 1944 году голландский астроном Хендрик ван де Хюлст предсказал, что космические облака атомарного водорода будут испускать электромагнитные волны длиной 21,2 см. Этот эффект возникает из-за переворотов спина орбитальных электронов (выражаясь формально, благодаря спонтанным переходам между двумя соседними уровнями сверхтонкой структуры водородного атома). Весной 1951 года будущий нобелевский лауреат Эдвард Пёрселл и его студент Гарольд Юэн детектировали это излучение, подтвердив гипотезу Литлтона и Хойла. Их результат в июне того же года продублировали нидерландские ученые во главе с Яном Оортом, которые как раз тогда создавали свое собственное (и в будущем очень успешное) направление в галактической радиоастрономии. Уже через три года Оорт и его партнеры опубликовали большую статью с описанием периферийных спиральных ветвей нашей галактики, обнаруженных благодаря детектированию радиоизлучения облаков нейтрального водорода. А в 1956 году в Голландии вблизи городка Двингело вступил в действие радиотелескоп с вращающейся антенной диаметром 25 м, который принес много ценной информации. На тот момент он даже был крупнейшим радиотелескопом в мире, однако уже на следующий год уступил первенство британскому 76-метровому телескопу имени Лоуэлла.
Но вернемся к сотрудничеству Хойла и Литлтона. Вероятно, они сделали бы вместе гораздо больше, если бы не Вторая мировая война. В конце лета 1940 года Адмиралтейство привлекло Хойла к секретным работам по радиолокаторам, из-за чего им с Барбарой пришлось перебраться из Кембриджа в Портсмут. Они с Литлтоном продолжали сотрудничать, но уже по почте. В октябре 1942 года Хойла назначили руководителем группы теоретиков, изучавших распространение радарного излучения. Они работали на новом полигоне в деревне Уитли в графстве Суррей, где Хойл провел вторую половину войны. Работа группы осталась засекреченной, однако известно, что Хойл разработал новый способ измерения высоты самолетов по показаниям радаров. Осенью 1944 года он был командирован в США, где рассказал о своей работе американским специалистам. Он воспользовался этой поездкой, чтобы встретиться с Расселом, Вальтером Бааде и еще несколькими астрономами. Это стало началом его личных контактов с американскими коллегами.
Группа была невелика, не более десяти сотрудников. Заместителем Хойла был уже упоминавшийся Герман Бонди, уроженец Вены. В эту команду, среди прочих, входил еще один замечательный физик и тоже эмигрант из Австрии Томас Голд. С наступлением мира они вместе с Хойлом занялись космологией и создали очень любопытную модель Вселенной.
Космология Большого взрыва
Бог, как известно, троицу любит. Возможно, именно поэтому он доверил создание ныне общепринятой модели возникновения расширяющейся Вселенной в результате Большого взрыва команде из троих ученых, которые тогда работали в Вашингтоне. В 1948 году они опубликовали несколько статей, в которых были изложены основы космологической концепции расширяющейся Вселенной, впоследствии получившей известность как теория Большого взрыва. Летом того же 1948 года Калифорнийский технологический институт провел торжественное открытие «Большого Глаза» — телескопа с пятиметровым зеркалом, сооруженного на горе Паломар вблизи Сан-Диего. После растянувшейся почти на полтора года доводки телескоп начал исследовать запредельные глубины космоса, куда до этого не мог заглянуть ни один астрономический инструмент. Поиск следов Биг Бэнга стал важнейшей частью этих исследований.
Теорию Большого взрыва сейчас считают почти столь же несомненной, как и систему Коперника. Однако вплоть до второй половины 1960-х годов она отнюдь не пользовалась всеобщим признанием, и не только потому, что некоторые ученые с порога отрицали саму идею расширения Вселенной. У модели Биг Бэнга имелась серьезная конкурентка, созданная Хойлом, Бонди и Голдом. Их модель полностью принимала концепцию космологического расширения, но объясняла ее совсем по-другому. В законченном виде она появилась на свет одновременно с соперницей и тоже имела троих соавторов. Сейчас эта теория практически забыта, но когда-то была весьма популярной.
В чем проблема?
Космология как математизированная наука уже давно успела отметить свой столетний юбилей. В 1917 году Альберт Эйнштейн осознал, что уравнения общей теории относительности позволяют вычислять физически разумные модели мироздания. Классическая механика и теория гравитации такой возможности не предоставляют, как понимал уже их великий создатель. Ньютон пытался построить общую картину Вселенной, однако при всех раскладах получалось, что она неизбежно схлопывается под действием силы тяготения. Позднейшие попытки этого рода, осуществлявшиеся в рамках ньютоновской парадигмы, тоже не приводили к успеху.
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 весьма неэлегантным, даже уродливым, но всё же необходимым. Однако позднее было доказано, что статичная модель неустойчива и посему физически бессмысленна, так что создатель общей теории относительности зря не поверил своему эстетическому чутью.
У модели Эйнштейна быстро появились конкуренты — модель мира без материи Виллема де Ситтера (тоже 1917 год), а также замкнутые и открытые нестационарные модели Александра Фридмана (1922 и 1924 годы). Но эти красивые конструкции до поры до времени оставались чисто математическими упражнениями, никак не связанными с астрономическими данными. Чтобы не умозрительно рассуждать о Вселенной в целом, надо хотя бы знать, что существуют миры, расположенные за пределами звездного скопления, в котором находится Солнечная система и мы вместе с нею. 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. Лишь после этого космология получила возможность искать опору в астрономических наблюдениях.
И такой шанс был быстро использован. Первым это сделал Леметр, который в те времена изучал астрофизику в Массачусетском технологическом институте. До него дошли ходившие среди астрономов слухи, что Хаббл вплотную подошел к новому революционному открытию — доказательству разбегания галактик. В 1927 году уже у себя на родине Леметр опубликовал (а в последующие годы уточнил и развил) модель Вселенной, образовавшейся в результате взрыва сверхплотной материи и расширяющейся в соответствии с уравнениями общей теории относительности. Он не только понял, что такое расширение можно увидеть с Земли, наблюдая движение далеких галактик, но даже математически доказал, что их радиальная скорость должна быть пропорциональна расстоянию от Солнечной системы. Годом позже к этому же выводу независимо пришел увлекшийся космологией принстонский математик Говард Робертсон. А в 1929 году Хаббл получил ту же самую зависимость уже путем наблюдений, 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. Получалось, что предсказания Леметра и Робертсона полностью оправдались, а космология нестационарной Вселенной одержала решительную победу2.
Но всё же астрономы ни в 1930-е, ни в 1940-е годы не спешили кричать ура и бросать в воздух академические ермолки. Модель Леметра позволяла оценить продолжительность существования Вселенной — для этого нужно было лишь выяснить численную величину константы, входящей в хаббловское уравнение. К сожалению, тогдашние 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. Все попытки выяснить процентный состав распределения химических элементов во Вселенной на основе леметровской модели (впервые эту работу в 1942 году проделал сам великий Чандрасекар) явно противоречили реальности.
Но скепсис специалистов объяснялся и причинами иного рода, если угодно, философскими. Астрономическое сообщество только-только свыклось с мыслью, что перед ним распахнулся бесконечный мир, населенный множеством галактик. Казалось естественным, что в своих основах он не изменяется и существует вечно. А теперь ученым предлагалось пойти на попятную и признать, что наш космос конечен не только в пространстве (это было бы еще полбеды), но и во времени. К тому же эта идея наводила на мысль о божественном творении, а время было антиклерикальное. В общем, не стоит удивляться, что леметровская теория долго оставалась не у дел. Еще худшая судьба постигла модель вечно осциллирующей Вселенной, которую в 1934 году предложил американский физик Ричард Толман. Она вообще не получила серьезного признания, а в конце 1960-х годов была окончательно отвергнута как математически некорректная.
Невезение Гамова
Акции модели раздувающегося мира не слишком повысились и после того, как к 1948 году эмигрант из СССР Джордж (он же Георгий Антонович) Гамов и его аспирант Ральф Алфер построили новую версию этой теории, причем гораздо более продвинутую и реалистичную, нежели леметровская. Бельгийский профессор выводил свою Вселенную из взрыва гипотетического «первичного атома», который явно выламывался из представлений физиков о природе микромира. Гамов и Алфер предположили, что Вселенная вскоре после момента рождения состояла из хорошо известных частиц — электронов, фотонов, протонов и нейтронов. В их модели эта смесь была нагрета до адских температур и плотно упакована в крохотном (по сравнению с нынешним) объеме. Гамов с Алфером показали, что в этом супергорячем супе происходит термоядерный синтез, в результате которого образуется основной изотоп гелия, гелий-4. Они даже вычислили (правда, считал в основном Алфер), 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 о распределении самых легких элементов во Вселенной.
Чуть позднее эти выводы подтвердили два участника Манхэттенского проекта — великий физик Энрико Ферми и радиохимик Энтони Туркевич. Они к тому же установили, что процессы термоядерного синтеза обязаны порождать немного легкого изотопа гелия с атомным весом 3 и тяжелые изотопы водорода — дейтерий и тритий. Сделанные ими оценки концентрации этих трех изотопов в космическом пространстве тоже совпадали с наблюдениями астрономов. Еще позже другие ученые определили, что этот же синтез повлек за собой появление ничтожных количеств лития-6 и лития-7, а также бериллия-7 (правда, ядра трития вскоре дали начало ядрам гелия-3, а ядра бериллия-7 захватили электроны и превратились в ядра лития-7). Впрочем, большая часть ядер этих элементов родилась иным путем и гораздо позже.
И всё же астрономы-практики продолжали сомневаться. Во-первых, оставалась проблема возраста Вселенной, с которой теория Гамова никак не могла справиться. Реально увеличить продолжительность существования мира можно было только доказав, что галактики разлетаются много медленней, чем было принято считать на основе тогдашнего значения постоянной Хаббла. В конечном счете так и случилось, причем в немалой степени с помощью наблюдений, выполненных в Паломарской обсерватории, только произошло это уже в 1960-е годы.
Во-вторых, гамовская модель 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. Всё было бы хорошо, если бы оно могло присоединить протон и превратиться в ядро лития — третьего элемента периодической системы. Однако ядра из трех протонов и двух нейтронов крайне неустойчивы и мгновенно распадаются. Поэтому в природе существует не литий-5, а лишь стабильный литий-6 (три протона и три нейтрона) и литий-7 (те же три протона плюс четыре нейтрона). Для их образования путем прямого синтеза необходимо, чтобы с гелиевым ядром одновременно слились и протон, и нейтрон (либо протон и два нейтрона), а вероятность этого события крайне мала. Правда, в условиях высокой плотности материи на первых минутах существования Вселенной подобные реакции всё же происходят, но очень редко, что и объясняет очень малую концентрацию древнейших атомов лития. Точно так же мгновенно разваливается ядро из двух протонов и трех нейтронов, поэтому гелий-5 опять-таки не возникает.
К тому же природа приготовила Гамову еще один премерзкий сюрприз. Путь к тяжелым элементам мог бы лежать и через слияние двух гелиевых ядер с образованием бериллия-8, однако этот изотоп тоже крайне неустойчив. Так что объяснить происхождение элементов тяжелее лития никак не удавалось, и в конце 1940-х годов это препятствие казалось непреодолимым.
Правда, у модели горячего рождения Вселенной оставалась в запасе еще одна карта, которая со временем стала козырной. Тогда же в 1948 году Алфер и другой ассистент Гамова Роберт Герман пришли к выводу, что космос пронизан микроволновым излучением, возникшим спустя 300 тыс. лет после первичного катаклизма. Однако радиоастрономы не проявили интереса к этому прогнозу, и он так и остался на бумаге.
Конкурирующая организация
Гамов и Алфер изобрели свою «горячую» модель в столице США, где с 1934 году Гамов профессорствовал 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. Если этот путь к построению космологической теории кое-кому кажется экзотичным, то что сказать об альтернативной теории, которая появилась на свет под влиянием фильма ужасов? А ведь было именно так, это не легенда.
Произошло это в Кембридже, куда осенью 1945 года вернулись Хойл и Бонди. Хойл сразу начал читать продвинутые курсы лекций по статистической механике и геометрии, которые пользовались большой популярностью — Хойл оказался отличным преподавателем. В последующие годы он также учил студентов прикладной математике, термодинамике и теории электромагнетизма. Тогда же Бонди стал обучать студентов математической физике, теории относительности и космологии, причем тоже очень успешно. В 1947 году в Кембридж вернулся и Томас Голд. Втроем они сформировали не только дружескую компанию, но и научную группу.
Чуть отвлекусь от биографии Хойла, чтобы рассказать о его компаньонах. Все трое были очень молоды. Хойлу к моменту капитуляции Германии не исполнилось и тридцати, а его приятелям стукнуло по двадцать пять. И Бонди, и Голд приехали в Англию в конце 1930-х годов и, подобно Хойлу, получили образование в Кембридже.
Бонди был математиком, а Голд — скорее инженером. Бонди навсегда остался в Англии, стал крупнейшим специалистом по общей теории относительности, работал главным научным консультантом Минобороны и Минэнергетики, получил (как и Хойл) дворянство, был гендиректором Европейской организации космических исследований (ныне Европейское космическое агентство), президентом нескольких научных обществ, ректором одного из кембриджских колледжей. Умер он 10 сентября 2005 года.
Голд в конце 1950-х перебрался в США, в Корнеллский университет, где и проработал всю жизнь, скончавшись в 2004 году. Он выполнил важнейшие исследования космического магнетизма (термин «магнитосфера» — его изобретение), одновременно с коллегой по университету Франко Пачини (но совершенно независимо!) предложил модель пульсара как вращающейся замагниченной нейтронной звезды и даже выдвинул элегантную, но, скорее всего, неправильную теорию происхождения угля и нефти.
В общем, троица в полном составе вошла в элиту мировой науки.
Во время войны Хойл и его друзья по вечерам отводили душу в беседах о фундаментальных проблемах мироздания. На этих домашних семинарах они много говорили о космологии. Все трое дружно невзлюбили модель Леметра, но закон Хаббла приняли всерьез, а потому отвергли и концепцию статичной Вселенной. После войны они собирались дома у Бонди и обсуждали те же проблемы. Бонди в 1947 году по предложению Совета Королевского астрономического общества написал (и годом позже опубликовал) большой обзор тогдашних космологических теорий, который, конечно, внимательно прочли и Хойл, и Голд. После этого друзья стали обдумывать возможность объяснения устройства Вселенной на основе какой-то новой физики.
Озарение снизошло на них после просмотра кинострашилки «Мертвые в ночи». Ее главный герой Уолтер Крейг (в исполнении знаменитого Мервина Джонса) попал в замкнутую событийную петлю, которая в конце картины возвратила его в ту же ситуацию, с которой всё и началось. Фильм с такой фабулой в принципе может длиться бесконечно, как стишок о попе и его собаке. Тут-то Голд и сообразил, что Вселенная может оказаться структурным аналогом этого сюжета — изменяющейся, но неизменной.
Друзья сначала сочли эту идею безумной, но потом решили, что в ней есть рациональное зерно. Они превратили голдовскую гипотезу в связную теорию и в 1948 году опубликовали свои результаты в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Бонди с Голдом в совместной статье “The Steady-State Theory of the Expanding Universe” дали ее общее изложение, а Хойл в отдельной публикации того года “A New Model for the Expanding Universe” представил математические расчеты.
Что там было нового? За основу Хойл взял уравнения общей теории относительности, но дополнил их гипотетическим С-полем, «полем творения» (creation field), обладающим отрицательным давлением. Нечто в этом роде через тридцать с лишним лет появилось в инфляционных космологических теориях, что Хойл подчеркивал с немалым удовольствием. Стоит отметить, что его друзья сочли концепцию C-поля слишком искусственной и физически избыточной. Бонди показал, что расширение Вселенной приводит к уменьшению энергии фотонов, приходящих от далеких галактик, которое компенсирует прирост энергии, поставляемый новорожденной материей. По его мнению, этот эффект снимал противоречия с законом сохранения энергии и делал ненужным введение «творящего поля».
«Новая модель» вошла в историю науки как Steady State Cosmology, космология стабильного состояния. Ее основное положение cостоит в том, что Вселенная расширяется, но не имеет начала во времени, поскольку всегда остается подобной себе самой. Новая теория провозгласила не только полное равноправие всех точек пространства (это уже было у Эйнштейна), но и всех моментов времени. 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 творящего поля — для этого оно и понадобилось!) появляется новое вещество, причем с такой интенсивностью, что средняя плотность материи остается неизменной. В соответствии с тогдашним значением постоянной Хаббла Хойл вычислил, что в каждом кубометре пространства в течение 300 тыс. лет рождается всего одна частица. Это сразу сняло вопрос, почему наши приборы не регистрируют эти процессы — они слишком медленны по человеческим меркам. Новая космология, естественно, не испытывала никаких трудностей, связанных с возрастом Вселенной, эта проблема для нее просто не возникала.
Для подтверждения cвоей модели Хойл предложил воспользоваться данными о пространственном распределении юных галактик. Если С-поле равномерно творит материю повсюду, то средняя плотность таких галактик должна быть повсюду примерно одинаковой. Напротив, модель катаклизмического рождения Вселенной в любом ее варианте предсказывает, что на дальней границе наблюдаемого космоса эта плотность максимальна — просто потому, что оттуда к нам приходит свет еще не успевших состариться звездных скоплений. Хойловский критерий был совершенно разумным, однако сразу произвести такое тестирование не представлялось возможным из-за отсутствия телескопов необходимой мощности.
Теперь настало время рассказать и о происхождении словосочетания «Большой взрыв». В 1949 году продюссер научных программ «Би-Би-Си» Питер Ласлетт предложил Хойлу подготовить серию лекций для образованных слушателей. Хойл воистину блистал перед микрофоном и мгновенно обрел множество поклонников. В передаче, которая вышла в эфир 28 марта, он заговорил о космологии и рассказал о своей теории. Он также под конец свел счеты со сторонниками моделей взрывного рождения Вселенной, восходящих к Анри Леметру и детально развитых в конце 1940-х годов Георгием Гамовым и его ассистентами. Их теории, сказал Хойл, «основаны на предположении, что Вселенная возникла в определенный момент времени в отдаленном прошлом в ходе одного единственного большого взрыва. Однако сейчас представляется, что в тех или иных отношениях эти теории противоречат результатам наблюдений». Вот так Хойл одновременно всего в двух фразах разделался с научными оппонентами в ввел в оборот это выражение, давно ставшее общепринятым термином. На русский его можно перевести и как «Большой хлопок», что, вероятно, точнее соответствует несколько уничижительному смыслу, который вложил в него Хойл. На следующей неделе лекция Хойла была опубликована в журнале «Би-Би-Си» The Listener, благодаря чему оно впервые возникло в печати. Потом оно появилось и в других публикациях и стало гулять по свету.
Триумф и поражение
Как известно, теория Большого взрыва в конце концов одержала всемирно-историческую победу над моделью Хойла со товарищи. Однако лет пятнадцать соперницы всё же сражались, хотя и не на равных. Концепция непрерывного творения материи получила одобрение нескольких видных ученых (в частности, Сесилии Пейн и крупного британского космолога Уильяма Маккри), но в целом профессиональное сообщество отнеслось к ней весьма критически. В 1959 году компания Гэллапа опросила астрономов об их отношении к этой идее. Ее поддержали 24% респондентов и отклонили 55% (остальные воздержались от оценок). Напротив, вышедшая в 1950 году популярная книга Хойла “The Nature of the Universe” завоевала ему много сторонников среди широкой публики. Однако эти восторги никак не повлияли на оценки профессионалов.
А вот проверка космологии стабильного состояния наблюдениями сильно затянулась. Около 1950 года ее вроде бы опровергли американские астрономы Джоуэл Стеббинс и Альберт Уитфорд, однако через два десятка лет их результаты были признаны ошибочными. В 1955 году английские радиоастрономы, работавшие под руководством Мартина Райла, будущего нобелевского лауреата и, к слову, многолетнего оппонента Хойла, обнародовали список обнаруженных ими компактных космических радиоисточников, известный как Второй Кембриджский каталог, он же каталог 2С. Обработав полученную информацию, они пришли к выводу, что плотность слабых источников радиосигналов на космической периферии больше, чем около нашей галактики. Райл на лекции в Оксфорде открытым текстом заявил, что эти результаты несовместимы с космологией стабильного состояния. Однако уже через пару лет радиоастрономы из Австралии показали, что группа Райла сильно преувеличила различия плотностей этих источников в близкой и далекой частях Вселенной из-за малой разрешающей способности своего радиоинтерферометра. Так что вопрос на время остался открытым.
И всё же в 1960-е годы хойловская космология стала быстро увядать. К этому времени астрономы доказали, что постоянная Хаббла на порядок меньше прежних оценок, что позволило поднять предполагаемый возраст Вселенной до десяти-двадцати миллиардов лет (напомню, что современная оценка 13,8 миллиардов). В 1961 году Райл и его коллеги закончили работу над четвертым каталогом радиоисточников, который был свободен от прежних дефектов, но тоже оказался несовместимым с моделью Хойла, Бонди и Голда. А в 1964 году Арно Пензиас и Роберт Вильсон детектировали микроволновое реликтовое излучение, предсказанное Ральфом Алфером и Робертом Германом на основе теории Большого взрыва. Их замечательное открытие вскоре обеспечило этой теории множество сторонников3. Вот уже свыше полувека эта теория считается стандартной — и общепризнанной — космологической моделью. Конечно, свято место пусто не бывает, у нее есть конкуренты, но теорию Хойла всерьез никто больше не принимает. Ей не помогло даже открытие в 1999 году ускорения разлета галактик, о возможности которого писали и Хойл, и Бонди с Голдом. В общем, кончилось ее время.
Интересно, что у создателей этой теории был предшественник в лице самого Эйнштейна, который в 1931 году обдумывал сходную идею. Он даже набросал свои предварительные выводы на бумаге, однако воздержался от их развития. Этот манускрипт долго лежал незамеченным в иерусалимском архиве эйнштейновских документов, и сообщение о нем появилось в печати лишь в феврале 2014 года.
Что касается Фреда Хойла, то он сохранил верность своей космологической модели до конца жизни. В 1990-х годах Хойл вместе со своим соотечественником и многолетним партнером Джефри Бербиджем и индийским астрофизиком Джайантом Нарликаром разработал ее новую версию, которую назвали теорией квазистабильного состояния. Там сохранена концепция вечно существующей Вселенной, однако предложен модифицированный механизм периодического взрывного рождения материи в ядрах активных галактик. Описывать ее в деталях нет смысла, хотя она и демонстрирует изрядную изобретательность авторов. Практически все специалисты сочли ее еще одним курьезом, каких немало появлялось в космологии. Любопытно однако, что книга Хойла, Бербиджа и Нарликара “A Different Approach to Cosmology — from a Static Universe Through the Big Bang Towards Reality” была издана в 2000 году издательством Кембриджского университета и очень неплохо продавалась. Правда, этот коммерческий успех не прибавил теории Хойла сторонников в профессиональной среде.
Окончание — в следующем номере
Первая публикация очерка: Левин А. Астрофизика в лицах. — М.: URSS, 2022.
Книгу можно приобрести здесь: urss.ru/cgi-bin/db.pl?lang=Ru&blang=ru&page=Book&id=282132
1 См. очерк о физике и правительственном эксперте Фредерике Линдеманне, яром поборнике бомбардировок городов в Германии в качестве мести за немецкие воздушные атаки: Мацарский В. Виконт Черуэлл Оксфордский, друг Эйнштейна и Черчилля // ТрВ-Наука № 367 от 6 декабря 2022 года.
2 Мацарский В. Жорж Леметр, монсеньор Большой взрыв // ТрВ-Наука № 372 от 21 февраля 2023 года.
3 История открытия микроволнового излучения, а также его природа и свойства детально описаны в моей книге «Белые карлики. Будущее Вселенной». — М.: Альпина Нон-Фикшн, 2021. С. 219–263. — А. Л.
(5 оценок, среднее: 4,40 из 5)
Загрузка...