Читать «Пульсирующая Вселенная» онлайн

Интересно, что именно Хойлу, стороннику холодного старта Вселенной, принадлежит честь введения термина «Большой взрыв», хотя он использовал этот термин с иронией и в отрицательном смысле: «Эта идея большого взрыва выглядит для меня неприемлемой...» («The Nature of the Universe»). Гамов отмечает, что в свое время сторонником этой модели Вселенной являлся и известный советский астроном Б. А. Воронцов-Вельяминов (1904–1994). Теория Бонди — Голда потеряла привлекательность после накопления новых наблюдательных данных, свидетельствующих в пользу взрывного образования Вселенной, а броский термин «Большой взрыв» стал общепринятым, потеряв ироничный оттенок.

Одессит Г. Гамов окончил университет в Петербурге, был учеником А. Фридмана, а потом стажировался в Европе. Гамов был больше двух метров ростом и слыл завзятым шутником. Он стал самым молодым в истории член-корреспондентом Академии наук СССР и России: был избран в Академию в возрасте 28 лет. Вернувшись в СССР, он столкнулся с тем, что его перестали выпускать за границу. В 1932 году Гамов вместе с женой решил нелегально эмигрировать и переплыть на легкой байдарке Черное море — из Крыма в Турцию. Отчаянная попытка закончилась неудачей: через два дня шторм пригнал байдарку назад к берегу. Лишь в 1934 году астрофизик Гамов с женой сумели с огромным трудом выехать из России, куда больше не вернулись.

Георгий Гамов был знаком с Эйнштейном, и их беседы способствовали возобновлению интереса Гамова к космологии. С 1946 года Гамов занялся космологией и ввел понятие Большого взрыва как начала расширения Вселенной в виде горячего облака из смеси нейтронов, протонов, электронов и квантов света (Гамов назвал эту огненную смесь «Улем»). В том же году Гамов, его студент Р. Альфер и молодой ученый Р. Херман разработали первую реалистичную схему нуклеосинтеза — образования химических элементов при Большом взрыве. Гамов с соавторами также предсказали тепловое реликтовое излучение, оставшееся после остывания Вселенной, и оценили его температуру в несколько градусов Кельвина. Гамов придерживался элегантной схемы образования Вселенной, включающей предыдущий цикл сжатия. В книге «Создание Вселенной» (1952) Гамов писал: «Мы можем задать себе два важных вопроса: почему наша Вселенная была в таком сильно сжатом состоянии и почему она стала расширяться? Простейший и математически наиболее корректный ответ состоит в том, что Большое сжатие, которое имело место в ранней истории нашей Вселенной, было результатом коллапса, который случился в еще более раннюю эру, и что нынешнее расширение есть просто упругий отскок, который начался, как только максимально возможная плотность была достигнута».

Проблема энтропии снималась в модели отскока тем, что она рассматривала половину космологического цикла (сжатие и расширение) и не волновалась о накоплении энтропии.

Гамов рисует в своей книге яркую картину эволюции Вселенной: «Мы подошли к концу нашего разговора, и картина процесса созидания начала вырисовываться — несколько туманная и фрагментарная, но в общих чертах вполне определенная. В смутном догалактическом прошлом мы видим проблеск метафизической „Эры св. Августина“, когда Вселенная, из чего бы она ни была создана, была вовлечена в гигантский коллапс. Конечно, у нас нет информации об этой эпохе, которая могла длиться от минус бесконечности до примерно трех миллиардов лет назад, поскольку археологические записи, относящиеся к тому далекому прошлому, должны были быть уничтожены дотла. Вещество Вселенной, должно быть, вышло из Большого сжатия в полностью разрушенном состоянии, образуя изначальный Улем из нейтронов, протонов и электронов. По мере того как Улем быстро охлаждался в результате расширения, эти элементарные частицы начали прилипать друг к другу, образуя агрегаты различной сложности, которые были прототипами сегодняшних атомных ядер. В течение этого раннего периода „ядерной кухни“, который длился не более часа, условия во Вселенной были очень близки к тем, которые существуют в центре взрывающейся атомной бомбы. Космическое пространство было полно гамма-излучения высокой энергии, плотность массы которого значительно превышала плотность обычного атомного вещества. Температура по всей Вселенной была около миллиарда градусов, но плотность вещества была сопоставима с плотностью атмосферного воздуха на больших высотах».

Отметим, что во времена Гамова возраст Вселенной (от момента Большого отскока) оценивался в 3 миллиарда лет, хотя в реальности она на 10 миллиардов лет старше. Последние фразы Гамова означают, что барионная плотность вещества в начальный период расширения Вселенной была гораздо меньше плотности излучения из гамма-квантов.

Концепция Вселенной, расширяющейся после сильного сжатия, безусловно красива, но механизм «упругого отскока» был неизвестен, как и максимальная плотность Вселенной в этот момент. Природа упругого отскока Вселенной, или Большого взрыва, пожалуй, самая интригующая проблема современной физики. Действительно, упругий отскок мяча понятен, потому что этот специально изготовленный легкий шар при ударе в десятки метров в секунду передает свою кинетическую энергию сжатому газу внутри, а потом использует эту накопленную энергию для обратного ускорения при отскоке. Но Вселенная — это объект в 1050 тонн, который движется с околосветовой скоростью. Какой естественный механизм может вызвать остановку и отскок такой стремительно летящей гигантской массы?

Важным достижением группы Гамова было предсказание существования теплового излучения, оставшегося после остывания молодой и горячей Вселенной. Длина волны излучения растет пропорционально размеру Вселенной. Согласно оценкам Гамова, Альфера и Хермана, в расширившейся Вселенной это излучение должно быть аналогично излучению черного тела с температурой около 5 градусов Кельвина. На эти работы группы Гамова мало кто обратил внимание, хотя они были опубликованы в ведущих физических журналах: эта команда слишком опережала время и существующий уровень науки.

Несмотря на явный прогресс в космологии, профессиональных космологов в первой половине XX века было немного. В целом в астрономической среде доминировало отношение к космологии как к спекулятивному занятию, оторванному от реальности. Ситуация стала меняться после того, как ученые стали массово возвращаться из военных программ к мирной науке. Например, ряд выдающихся физиков — Я. Б. Зельдович, С. Вайнберг, А. Д. Сахаров, закончив работу в проектах по созданию ядерного оружия, в начале 60-х годов занялись астрофизикой и космологией. Академик Я. Б. Зельдович, ставший за создание термоядерной бомбы трижды Героем труда, был выдающимся организатором. Неудивительно, что он сумел организовать целую школу квантовой космологии при Московском государственном университете.

В эстонском городе Тарту 7–13 июля 1962 года проходил семинар, материалы которого были опубликованы в сборнике «Вопросы космогонии» (1963). Эта книга содержит ряд интересных статей, отражающих развитие космологических концепций в эти годы. В статье «Дозвездная эволюция вещества» Я. Б. Зельдович разбирает теорию горячей Вселенной Гамова — Альфера — Хермана, попытки которых получить наблюдаемый химический состав космической среды он считает наивными. Зельдович пишет, что в этой модели «эффективная температура электромагнитного излучения (света) равна 23К» (то есть реликтового излучения, оставшегося от горячей стадии Вселенной). Зельдович делает заключение: «Следует признать, что эти значения лежат за гранью