Гонка за Нобелем - Брайан Китинг

Таким образом, чтобы во Вселенной осталось хоть сколько-нибудь дейтерия, строительного материала для гелия, а также свободных нейтронов, необходимых для формирования новых дейтронов, ее температура должна была упасть ниже магического порога в 10 млрд градусов за довольно короткое время — менее чем за 600 секунд. Благодаря неустойчивости нейтронов дейтерий стал для ученых температурозависимыми «часами» — термохронометром. Но что могло вызвать такое быстрое охлаждение от бесконечных температур до этой высокой, но все же конечной температуры? Расширение Вселенной. При расширении все охлаждается — например, вы сталкиваетесь с этим, когда распыляете аэрозоль. Когда выпускается содержимое баллончика, газ внутри него становится менее плотным и металлическая поверхность охлаждается.

Пока снижение температуры Вселенной не преодолело планку в 10 млрд градусов, кишащие в раскаленной плазме фотоны мгновенно разбивали любые образующиеся дейтроны, таким образом обрывая в самом начале цепочку реакций, ведущую к синтезу гелия. Как только Вселенная немного остыла, началось стремительное образование гелия. Но строительный ядерный бум продлился недолго. Через 20 минут после того, как началось охлаждение с бесконечных температур, все было кончено: Вселенная стала слишком холодной, чтобы сплавлять дейтроны в ядра гелия, и процесс, показанный на рис. 14, подошел к концу. С тех пор количество первозданного гелия в космосе оставалось неизменным. Только представьте: за отрезок времени короче одного эпизода сериала «Теория Большого взрыва» образовались почти все легкие элементы во Вселенной!

Три самых легких ядра — дейтроны и ядра водорода и гелия — стали древними артефактами, с помощью которых можно было протестировать модель Большого взрыва{7}. В 1949 году Гамов и Альфер предсказали, что на каждое ядро гелия должно приходиться 12 ядер водорода плюс небольшое количество остаточного дейтерия (который в то время астрономы не умели обнаруживать). Наблюдения за звездами в Млечном Пути в значительной степени согласовывались с этим прогнозом. Ободренные этим подтверждением, Гамов и Альфер пошли еще дальше и предположили, что все элементы, даже углерод, основа жизни, могли быть образованы в первые несколько минут после Большого взрыва в огненном шаре ранней Вселенной.

Позже Альфер и его коллега Роберт Херман выдвинули предположение, что процесс охлаждения Вселенной продолжается по сей день. При этом тепло, оставшееся от первоначального огненного шара, и сегодня подогревает космос до температуры в 5 кельвинов — на пять градусов выше абсолютного нуля по шкале Цельсия. Мы можем увидеть это тепло в виде микроволнового фонового излучения, равномерно заполняющего всю Вселенную.

Идея, что Вселенная превратилась из некогда кипящей и бурлящей точки сингулярности — состояния материи и энергии, с которого все началось, — в ледяную ванну из света, окружающего нас повсюду, была слишком нелепа, чтобы воспринимать ее всерьез. На самом деле только один космолог воспринял эту идею как вызов: Фред Хойл. И он сделал все, чтобы ее опровергнуть.

Теория образования химических элементов Альфера — Гамова — Хермана, впоследствии получившая название первичного нуклеосинтеза, для Хойла была неудобоварима: он не сомневался, что все можно объяснить в рамках модели стационарной Вселенной. Сделав это, он не только покончит с конкурирующей теорией космогенеза, но и впишет свое имя в историю космологии.

К четырем первородным грехам теории Большого взрыва Хойл добавил еще два. Во-первых, он доказал, что модель нуклеосинтеза Большого взрыва могла привести к образованию только трех самых легких элементов в периодической таблице: водорода, гелия и лития (имеющего в ядре три протона) и их изотопов. Большой взрыв, предположительно, начался с расширения Вселенной из ничтожно малой частицы, содержавшей зародыши легких элементов, которые, в свою очередь, стали строительным материалом для более тяжелых. Но модель Большого взрыва не предусматривала синтез элементов тяжелее лития. Теория, способная объяснить образование всего трех из почти сотни известных на тот момент элементов и изотопов, т. е. всего 3 %, вряд ли могла внушать доверие. Но Хойл на этом не остановился.

Вторая атака Хойла была направлена на предположение Альфера и Германа о том, что оставшееся от огненного шара тепло можно наблюдать в форме микроволнового фона температурой 5 кельвинов. Здесь тоже была проблема. Поскольку при расширении все охлаждается, а Вселенная в модели Большого взрыва все время расширялась, занижение Хабблом возраста Вселенной привело к тому, что Альфер и Герман (и позже Гамов) значительно завысили температуру этой микроволновой ванны. Чем моложе Вселенная, тем теплее она должна была быть. Оценка Альфера и Германа оказалась почти в два раза выше, чем могла быть максимальная температура фона Вселенной согласно измерениям, сделанным в 1941 году{8}.

Хуже того, через год они опубликовали другой прогноз, повысив космическую температуру с 5 до 28 кельвинов{9}. Такая игра с цифрами никак не способствовала доверию к их модели{10}. Напротив, модель Хойла не имела теплового фона, не говоря уже о микроволновом свечении, которое не соответствовало наблюдаемым данным и менялось с каждой последующей публикацией.

Но Хойл не просто опровергал модель Большого взрыва. Он предложил собственную альтернативную гипотезу о том, как могли сформироваться все химические элементы, не только первые три. Хойл был уверен, что все они образовались внутри звезд. Это была критическая проблема, которую модель Большого взрыва так и не сумела разрешить. Напомним: чтобы объяснить происхождение всех элементов, необходимо объяснить не только процесс их образования, но и то, откуда берутся новые ядра. Хойл поместил источник генерации новых ядер в самое логичное место в космосе — в звезды. И вскоре он продемонстрировал, каким образом звезды могут производить самый важный элемент для жизни во Вселенной — углерод.

В 1954 году Хойл показал, что для образования углерода должно было произойти чудо{11}. Конечно, он не называл это именно так. Но, учитывая тот факт, что все мы состоим из углерода и нигде во Вселенной не обнаружены ядра с такими атомными массами, из которых мог бы образоваться углерод, Хойл пришел к выводу, что внутри звезд должно существовать особое состояние материи, которое каким-то образом катализирует преобразование гелия в углерод. Это особое каталитическое состояние, которое он назвал «резонансом», теперь известно как состояние Хойла (рис. 15). Не будь состояния Хойла, некому было бы сейчас читать эту книгу.