Краткая история науки - Уильям Байнум

Теорию Большого взрыва популяризовал в 40-х годах Георгий Гамов (1904–1968). Был он колоритный физик, родился в России, но перебрался в Америку в тридцатые годы. Обладатель удивительно творческого ума, он увлекался не только физикой, но и теорией относительности и молекулярной биологией.

Вместе с коллегой он на микроуровне занимался тем, что исследовал, как ядро атома испускает электроны (бета-частицы). А на макроуровне Гамов изучал процесс формирования туманностей, исполинских облаков из горячих частиц и космической пыли. Его гипотеза Большого взрыва, появившаяся в 1948-м, отличалась от других и опиралась на знания относительно мельчайших составляющих атома, скомбинированные с моделью того, что могло происходить во Вселенной в самом начале.

Во-первых, составляющие: частицы и силы.

В конце 40-х этот раздел физики получил название квантовой электродинамики. Одним из людей, помогших вдохнуть в него смысл, оказался американский физик Ричард Фейнман (1918-88). Он знаменит благодаря диаграммам, которые он рисовал (иногда на ресторанных салфетках), чтобы объяснить свои теории и расчеты, и сдвоенным барабанам-бонго.

Фейнман получил Нобелевскую премию в 1965 году, в первую очередь за работы по квантовой электродинамике, обеспечившие сложный математический аппарат для объяснения того, как взаимодействуют на микроуровне мельчайшие частицы и силы.

После окончания Второй мировой физики продолжили разгонять атомы и частицы во все более мощных ускорителях. Ускорители могли разложить атомы на субатомные частицы, и это нечто противоположное процессу, имевшему место несколькими мгновениями позже Большого взрыва.

Сразу после него, когда началось охлаждение, принялись формироваться строительные блоки материи. Из частиц постепенно возникли атомы, а из атомов элементы, и в конечном счете дело дошло до звезд и растений.

Как учит нас эйнштейновское E = mc2, на высочайших скоростях – около скорости света – в ускорителях масса большей частью превращается в энергию. Физики обнаружили, что разогнанные почти до предела частицы способны на удивительные вещи. Электрон появляется из ускорителя неизменившимся, и он принадлежит к лептонам, особой группе фундаментальных частиц. Зато протон и нейтрон, судя по всему, состоят из более мелких частиц, именуемых кварками.

Их существует несколько разновидностей, и каждая обладает особым зарядом. Комбинируясь по три, они образуют либо нейтрон, либо протон.

Существует четыре базовых силы во Вселенной, и попытка разобраться, как они связаны между собой, стала одним из величайших научных предприятий двадцатого века. Гравитация – слабейшая из этих сил, но зато она действует на бесконечное расстояние. Понять ее до конца мы до сих пор не смогли, путь даже над ее загадками ученые бьются со времен ньютонова яблока. Электромагнетизм вовлечен во множество явлений природы, он держит электроны на орбитах в пределах атома и в качестве дневного света приносит нам новость о том, что солнце еще светит.

Еще в пределах атома имеются «сильное взаимодействие» и «слабое взаимодействие». Эти две силы скрепляют частицы в границах атомного ядра.

За исключением гравитации все силы действуют благодаря обмену особыми частицами, именуемыми бозонами. В их число входят протон и квант света Эйнштейна, который является бозоном электромагнетизма.

Но самым знаменитым бозоном является тот, которого до сих пор не удалось обнаружить: бозон Хиггса. Специалисты по физике частиц пытаются «поймать» его более полувека. Предположительно он создает массу в других частицах, и подтверждение его существования позволило бы объяснить, как частицы получили массу сразу после Большого взрыва.

Ученые полагали, что им удастся бросить взгляд на эту загадку в крупнейшем ускорителе элементарных частиц. Большом адронном коллайдере (БАК), построенном около Женевы (Швейцария). БАК был возведен между 1998-м и 2008-м Европейской организацией по ядерным исследованиям (ЦЕРН), основанной еще в 1954 году. Это кооперация, объединение сил нескольких европейских стран, созданное для того, чтобы снизить затраты на дорогие исследования, требующие большого количества ученых, техников и компьютерщиков.

Бозон Хиггса был бы невероятно полезной (но не последней из нераскрытых) частью загадки, известной как Стандартная модель, которая отвечает за все, кроме гравитации. А завершенная Стандартная модель приблизила бы нас к Теории всего, возможно, через теорию струн, особый подход к анализу разнообразных сил и частиц. Базируется теория струн на предположении, что фундаментальные силы природы можно рассматривать так, как будто они представляют собой одномерные вибрирующие струны. В этой гипотезе используется большое количество математики, и она все еще в процессе становления.

Большую часть физики, относящейся к процессам, идущим на микроуровне, трудно соотнести с обычным миром, в котором мы живем. Но ученые находят все больше способов применить находки этой науки в области ядерной энергии, телекоммуникаций, компьютерной и медицинской техники нового поколения. Эти вещи важны для нашей повседневной жизни, а за их пределами лежит много такого, что нужно изучить, чтобы понять, каким образом идея Большого взрыва может соответствовать тому, что мы видим или не видим в пространстве.

В 1920-х русский физик Александр Фридман (1888–1925) был одним из тех, кто быстро принял общую теорию относительности Эйнштейна и встроил ее в собственные математические модели. Уравнение Фридмана обеспечило математическое объяснение для модели расширяющейся Вселенной. Фридман также интересовался тем, имеет ли значение то, что мы наблюдаем за звездами с Земли: понятно, что для нас это особенное место, но дает ли оно нам уникальные возможности для изучения космоса?

Ответом стало «нет», ничего уникального, это просто место, где нам случилось быть. Вещи не стали бы выглядеть иначе, если бы мы находились на другой планете, расположенной во многих световых годах от Солнца.

Этот принцип назвали космологической постоянной Фридмана, и из нее следует вывод, что материя одинаковым образом распространена во Вселенной. Само собой, есть локальные вариации. Земля намного плотнее, чем атмосфера вокруг нее, но если взять в большом масштабе, этот принцип работает. Сегодня космологи во многом базируются в своей работе на модели Фридмана, а иметь дело им приходится с такими мистическими объектами, как черные дыры и темная материя.

Двое членов Лондонского королевского общества обсуждали идею «темной звезды» еще в восемнадцатом веке. Ее современный эквивалент, черную дыру, смог описать гений математики Роджер Пенроуз (род. 1931), работавший в связке с блестящим физиком-теоретиком. Стивеном Хокингом (1942–2018). До ухода на пенсию Хокинг занимал ту же должность, что некогда Ньютон, он числился лукасовским профессором математики в Кембридже.

Вместе они описали черные дыры так, что их легко представить, хотя взгляду подобные объекты недоступны. Все по той причине, что они возникают в тех областях космоса, где постепенно сжимаются угасающие звезды. По мере того как их материя становится все более плотной, силы гравитации обретают такую мощь, что фотоны света оказываются пойманы в ловушку.