Параллельные миры - Мичио Каку

Хойл, который презирал праздные размышления, взялся за проверку своей теории. Он был в восторге от идеи, что элементы Вселенной испеклись не в топке Большого Взрыва, как считал Гамов, а в звездном ядре. Если около сотни химических элементов возникло в ядре звезд, то потребность в существовании Большого Взрыва вообще отпадала.

В ряде работ, содержащих плодотворные идеи и опубликованных в 1940-е — 1950-е годы, Хойл и его коллеги описали в подробностях, как ядерные реакции в ядре звезд, а не в пламени Большого Взрыва присоединяли все больше и больше протонов и нейтронов к ядрам водорода и гелия до тех пор, пока не были созданы все тяжелые элементы, во всяком случае до железа. (Они решили загадку, как создать элементы с массовым числом выше 5, которая поставила в тупик Гамова. В гениальном озарении Хойл понял, что если существовала ранее незамеченная неустойчивая форма углерода, состоящая из трех ядер гелия, то она могла бы просуществовать достаточно долго, чтобы послужить «мостом» для создания элементов высшего порядка. В ядрах звезд эта новая неустойчивая форма углерода могла продержаться достаточно долго для того, чтобы можно было путем последовательного добавления все большего количества нейтронов и протонов создать элементы с массовым числом выше 5 и 8. Когда эта неустойчивая форма углерода действительно была обнаружена, это открытие блестяще продемонстрировало, что нуклеосинтез происходит в ядрах звезд, а не при Большом Взрыве. Хойл даже создал большую компьютерную программу, определяющую почти с первых шагов относительное содержание элементов во Вселенной.)

Но даже сильного жара внутри звезд недостаточно, чтобы «ис печь» такие элементы, как медь, никель, цинк и уран. (Извлекать энергию при слиянии элементов тяжелее железа чрезвычайно сложно в силу различных причин, в том числе отталкивания протонов в ядре и нехватки связующей энергии.) Для тяжелых элементов понадобилась бы печка побольше — взрыв массивных, или сверхновых звезд. При грандиозном взрыве гигантской звезды температура ее предсмертной агонии может достигать триллионов градусов, и эта энергия оказывается достаточной для «приготовления» элементов тяжелее железа. По сути, это означает, что большинство элементов тяжелее железа — результат взрыва сверхновых звезд.

В 1957 году Хойл в соавторстве с Маргарети Джефри Бербиджами и Уильямом Фаулером опубликовал, возможно наиболее значительную, работу, где в подробностях были представлены все этапы, необходимые для создания элементов во Вселенной и для определения их распространенности. Аргументы авторов были так точны, вески и убедительны, что даже Гамову пришлось признать, что Хойл представил убедительнейшую картину нуклеосинтеза. Гамов, в присущей ему манере, даже сочинил следующий экспромт в библейском стиле:

В самом начале, когда Бог создавал элементы, волнуясь при счете, Он не назвал массу пять, а потому, естественно, не могли образоваться тяжелые элементы. Бог был очень разочарован и поначалу хотел снова взорвать Вселенную, а затем начать все сначала. Но это было бы слишком просто. Тогда всемогущий Бог решил исправить свою ошибку самым невероятным образом. И сказал Бог: Да будет Хойл. И появился Хойл. И посмотрел Бог на Хойла… И велел ему сотворить тяжелые элементы так, как ему вздумается. И Хойл решил сотворить тяжелые элементы в ядрах звезд и распространять их по Вселенной с помощью взрывов сверхновых.

Однако в течение десятилетий во всех направлениях науки накапливалось все больше доказательств, опровергающих «теорию стационарной Вселенной». Хойл обнаружил, что его борьба обречена на верный проигрыш. По его теории, поскольку Вселенная не эволюционировала, а постоянно создавала новую материю, ранняя Вселенная должна была выглядеть очень похожей на Вселенную наших дней. Видимые нам сегодня галактики тоже должны были походить на те галактики, что существовали миллиарды лет назад. Теория стационарной Вселенной могла быть опровергнута, если бы были обнаружены признаки значительных эволюционных изменений Вселенной на протяжении миллиардов лет.

В 1960-е годы в космическом пространстве обнаружили загадочные источники невероятной энергии, названные «квазарами», или квазизвездными объектами. (Название было таким броским, что позднее его использовали в качестве марки телевизора.) Квазары генерировали невероятные количества энергии и характеризовались красным смещением огромной величины, что означало, что они находятся на расстоянии миллиардов световых лет от нас, а также что они освещали Вселенную еще в раннем ее детстве (сегодня астрономы считают, что квазары — это гигантские молодые галактики, ведомые энергией огромных черных дыр). У нас нет доказательства существования каких-либо квазаров сегодня, хотя согласно теории стационарной Вселенной они должны существовать. За миллиарды лет они исчезли.

В теории Хойла крылась еще одна проблема. Ученые доказали, что во Вселенной слишком много гелия, чтобы это вписывалось в теорию стационарной Вселенной. Гелий, известный как газ, используемый для надувания воздушных шаров и небольших дирижаблей, в действительности довольно редок на Земле, но он является вторым по относительному содержанию элементом во Вселенной после водорода. Вообще, он настолько редок, что впервые был обнаружен не на Земле, а на Солнце. (В 1868 году ученые анализировали свет Солнца, проходящий через призму. Преломленный луч света распадался на обычную радугу цветов и спектральных линий, но ученые обнаружили нечеткие спектральные линии, вызванные загадочным элементом, никогда не виденным ранее. Они ошибочно посчитали, что это металл, а названия металлов (в английской терминологии) оканчиваются на Лит, например lithium (литий), uranium (уран). Они дали этому загадочному металлу название helium (гелий) от греческого названия Солнца, «Helios». Когда же в 1895 году гелий был найден на Земле в залежах урана, ученые с большим смущением обнаружили, что это газ, а не металл. Так название гелия, впервые открытого на Солнце, изначально оказалось неправильным.)

Если первичный гелий в основной своей массе рождался в звездных ядрах, как считал Хойл, он должен был быть довольно редким и находиться в недрах звезд. Но астрономические данные показали, что относительное содержание гелия во Вселенной довольно высоко и составляет 25 % от всей массы атомов во Вселенной. Было обнаружено, что гелий однородно распространен по всей Вселенной (как и предполагал Гамов).

Сегодня мы знаем, что и в теории Гамова, и в теории Хойла были зерна истины относительно нуклеосинтеза. Гамов считал, что все химические элементы были побочным результатом, или золой, Большого Взрыва. Но его теорию убили провалы на пяти и восьми частицах. Хойл же считал, что смог зачеркнуть теорию Большого Взрыва, показав, что в звездах «пекутся» все элементы — к Большому Взрыву прибегать нет никакой потребности. Но его теории не удалось объяснить огромный процент гелия, существующий, как нам известно, во Вселенной.

По существу, Гамов и Хойл дали нам взаимодополняющую картину нуклеосинтеза. Очень легкие элементы с массой до 5 и 8 действительно возникли в результате Большого Взрыва, как и предполагал Гамов. Сегодня в результате последних физических открытий стало известно, что во время Большого Взрыва действительно возникла большая часть дейтерия, гелия-3, гелия-4 и лития-7, которые присутствуют в природе. Но более тяжелые элементы были, в основном, созданы в ядрах звезд, как утверждал Хойл. Если мы прибавим элементы тяжелее железа (медь, цинк и золото), которые возникли из обжигающего жара сверхновых звезд, то мы получим завершенную картину, объясняющую соотношение всех элементов во Вселенной. (Любая теория, соперничающая с нынешними взглядами космологов, столкнулась бы с задачей немыслимой сложности: объяснить возникновение более сотни элементов во Вселенной и множества их изотопов.)

Одним из неожиданных результатов жаркого спора по поводу нуклеосинтеза стало довольно полное описание жизненного цикла звезд. Стандартная звезда, такая, как наше Солнце, начинает жизнь как огромный шар разреженного водорода, называемый протозвез-дой; постепенно шар сжимается под воздействием силы гравитации. Начиная сжиматься, этот шар ускоряет вращение (что часто влечет за собой образование двойной звездной системы, где две звезды следуют друг за другом по эллиптическим орбитам, или образование планет в плоскости вращения звезды). Ядро звезды очень сильно разогревается, достигая температуры приблизительно в 10 млн градусов и более, при которой происходит нуклеосинтез водорода с образованием гелия.

Когда звезда раскаляется, ее называют звездой главной последовательности. Она может гореть около 10 млрд лет, сначала сгорает водород, а потом гелий. Наше Солнце сейчас находится в срединной точке этого процесса. По окончании периода сгорания водорода начинает гореть гелий, вследствие чего звезда невероятно расширяется — до размеров орбиты Марса — и становится «красным гигантом». После того какгелиевое топливо истощается, внешние слои звездного ядра рассеиваются, обнажая ядро — «белый карлик» размером с Землю. Такими-то белыми карликами и встретят свою смерть звезды небольшого размера — вроде нашего Солнца.