Вселенная: теории происхождения

Астрофизик Джон Гриббин о разных теориях происхождения Вселенной, о реликтовом излучении и о любопытной истории его обнаружения, в которой «замешаны» советские физики.
Вселенная: теории происхождения

Все слышали о теории Большого взрыва, которая объясняет (по крайней мере, на данный момент) зарождение нашей Вселенной. Однако в ученых кругах всегда найдутся желающие оспорить идеи — из этого, кстати, нередко и вырастают великие открытия.

Большой взрыв и советский след

К середине 1940-х годов стало ясно, что большую часть видимой материи во Вселенной составляют водород и гелий. Яркие звезды и галактики состоят из водорода примерно на 75% и из гелия примерно на 24%.

Водород — самый простой элемент: каждый его атом состоит всего из одного протона и одного электрона, поэтому физики не могли понять, как же сформировались прочие элементы.

Первым ученым, который применил космологические идеи в попытке понять происхождение химических элементов, стал Георгий Гамов — физик — эмигрант из СССР.

Получив подтверждение того, что Вселенная непрерывно расширяется — тогда это открытие только было сделано — Гамов первым поддержал идею, что она образовалась из исходного плотного и горячего состояния под влиянием того, что мы сегодня называем Большим взрывом.

Гамов предположил, что сначала был горячий, плотный газ. И он состоял из нейтронов — очень нестабильных частиц, которые быстро распадаются и образуют атомы водорода. А сталкиваясь друг с другом, они могут образовывать еще и гелий. Однако в теории был пробел.

Гамов вместе со своим аспирантом Альфером выяснил, что получить так гелий действительно несложно. Однако более тяжелые элементы, которые тоже присутствуют во Вселенной, просто не успели бы сформироваться — Вселенная остыла б раньше, чем бы завершился процесс.

Гамова это не смутило. Никогда не сомневавшийся в своих силах ученый заявил, что его теория объясняет происхождение 99% видимой Вселенной, так что остальное — всего лишь детали, которые можно оставить для выяснения другим исследователям.

Теория стационарной Вселенной

Несмотря на то, что Гамов вместе с коллегами сделал ключевой шаг в космологии уже потому, что впервые доказал возможность проведения научных расчетов в рамках теории Большого взрыва, оставались белые пятна. Вопрос происхождения всех элементов, помимо водорода и гелия, висел в воздухе.

Неясность с происхождением элементов и ядерным синтезом стала одной из причин, по которой в том же 1948 году Германом Бонди, Томми Голдом и Фредом Хойлом была выдвинута альтернатива Большому взрыву — теория стационарной Вселенной.

В основе их концепции лежала идея, что хотя Вселенная и расширяется (скопления звезд, называемые галактиками, отходят дальше друг от друга), она не образовалась в конкретный момент времени из некоего горячего и плотного состояния — а всегда имела приблизительно нынешний вид.

По мере расширения в промежутках между галактиками возникает новая материя в виде атомов водорода, которая затем включается в новые звезды и галактики. Далее внутри звезд происходит ядерный синтез. Хойл обнаружил, что, хотя ядерный синтез внутри звезд действительно объяснял возникновение пресловутого 1% материи, объяснить происхождение всего гелия во Вселенной с его помощью было невозможно.

Для интерпретации всех элементов в видимой Вселенной необходимо было использовать еще и идею ядерного синтеза согласно теории Большого взрыва…

Альтернативная теория Большого взрыва

Роберт Дикке, американский физик, известен своими работами в области астрофизики, атомной физики, космологии и гравитации. И одной интересной идеей.

Совсем коротко идею Дикке можно назвать «Большой взрыв, но не такой, каким мы его знаем».

Дикке смущала мысль, что вся материя во Вселенной могла быть создана за долю секунды во время Большого взрыва, но ему не казалось правдоподобным и то, что материя создается непрерывно в промежутках между галактиками.

Впрочем, существовал еще и третий вариант — так называемая циклическая Вселенная.

Согласно этой теории, количество материи во Вселенной остается неизменным, но после фазы расширения наступает фаза сжатия: Вселенная доходит до горячего и плотного состояния, как перед Большим взрывом, и вновь расширяется, возрождаясь, словно Феникс.

Однако, понял Дикке, если бы эта модель была реальной, то не было бы двух видов звезд — Населения I и Населения II, молодых и старых звезд. А они были. Значит, Вселенная вокруг нас все-таки развилась из горячего и плотного состояния.

Даже если это был не единственный в истории Большой взрыв.

Удивительно, правда? Вдруг этих взрывов было несколько? Десятки, сотни? Науке еще предстоит это выяснить.

Дикке предложил своему коллеге Пиблсу просчитать необходимую для описанных процессов температуру и вероятную температуру остаточного излучения в наши дни.

Примерные расчеты Пиблса показали, что сегодня Вселенная должна быть наполнена микроволновым излучением с температурой менее 10 К, и Ролл с Уилкинсоном уже готовились искать это излучение, когда раздался звонок…

Трудности перевода

Однако тут стоит перенестись в другой уголок земного шара — в СССР.

Ближе всех к открытию реликтового излучения подошли (и тоже не довели дело до конца!) в СССР. Проделав в течение нескольких месяцев огромную работу, отчет о которой вышел в 1964 году, советские ученые сложили, казалось, все части головоломки, не хватило лишь одной.

Яков Борисович Зельдович, один из колоссов советской науки, осуществил расчеты, аналогичные тем, что провел коллектив Гамова (советского физика, живушего в США), и тоже пришел к выводу, что Вселенная должна была начаться с горячего Большого взрыва, оставившего фоновое излучение с температурой в несколько кельвинов.

Он даже знал о статье Эда Ома в «Техническом журнале Bell System», который примерно высчитал температуру реликтового излучения, но неверно интерпретировал выводы автора.

Почему же советские исследователи не поняли, что Ом уже открыл это излучение? Из-за ошибки в переводе.

В статье Ома утверждалось, что измеренная им температура неба составила около 3 К. Это означало, что он вычел все возможные источники радиопомех и что 3 К — это температура оставшегося фона.

Однако по случайному совпадению такой же (3 К) была и температура излучения атмосферы, поправку на которую Ом тоже сделал. Советские специалисты ошибочно решили, что именно эти 3 К и остались у Ома после всех предыдущих корректировок, вычли и их и остались ни с чем.

В наши дни подобные ошибки понимания легко устранились бы в процессе электронной переписки, но в начале 1960-х годов коммуникация между учеными Советского Союза и Соединенных Штатов была весьма затруднена. Это и стало причиной столь обидной ошибки.

Нобелевская премия, которая уплыла из рук

Вернемся в день, когда в лаборатории Дикке раздался телефонный звонок. Оказывается, в это же время астрономы Арно Пензиас и Роберт Вильсон сообщили, что им случайно удалось уловить слабый радиошум, поступающий из всего космического пространства.

Тогда они еще не знали, что другой коллектив ученых самостоятельно пришел к идее существования такого излучения и даже начал строить детектор для его поиска. Это был коллектив Дикке и Пиблса.

Еще удивительнее и то, что космическое микроволновое фоновое, или, как его еще называют, реликтовое, излучение было более чем за десять лет до этого описано в рамках модели возникновения Вселенной в результате Большого взрыва Георгием Гамовым и его коллегами.

Ни одна, ни другая группа ученых об этом не знала.

Пензиас и Вильсон случайно узнали о работе ученых под руководством Дикке и решили им позвонить, чтобы обсудить это. Дикке внимательно выслушал Пензиаса и сделал несколько замечаний. Положив трубку, он повернулся к коллегам и сказал: «Ребята, нас обскакали».

Спустя почти 15 лет, после того как множество измерений, произведенных на самых разных длинах волн многими группами астрономов, подтвердили, что открытое ими излучение действительно реликтовое эхо Большого взрыва, имеющее температуру 2,712 К, Пензиас и Вильсон разделили Нобелевскую премию за свое изобретение.

Хотя поначалу они даже не хотели писать статью о своем открытии, потому что считали его несостоятельным и не укладывающимся в модель стационарной Вселенной, которой они придерживались!

Говорят, Пензиас и Вильсон сочли бы для себя достаточным упоминание в качестве пятого и шестого имени в списке после Дикке, Пиблса, Ролла и Уилкинсона. В таком случае Нобелевская премия, видимо, ушла бы Дикке. Но все случилось так, как случилось.

Источник: Портал МИФа

Комментарии
Комментарии