От Дарвина до Эйнштейна. Величайшие ошибки гениальных ученых, которые изменили наше понимание жизни и вселенной Ливио Марио

Та философия, которая так важна в каждом из нас, не есть нечто технически определенное, специальное. Она – наше более или менее смутное чувство того, что представляет собой жизнь в своей глубине и значении. Эта философия только отчасти заимствована из книг. Она – наш индивидуальный способ воспринимать и чувствовать биение пульса космической жизни.

Уильям Джеймс(пер. П. Юшкевича)

Двадцать восьмого марта 1949 года в шесть тридцать пополудни астрофизик Фред Хойл как приглашенное светило выступил с очередной лекцией по Третьей программе радио ВВС. Третья программа была каналом культурных новостей, где выступали интеллектуалы наподобие философа Бертрана Рассела и драматурга Сэмюеля Беккета. В какой-то момент, когда Хойл пытался противопоставить свой собственный сценарий – идею о постоянном создании материи во Вселенной – с теорией своих противников, которые заявляли, что у Вселенной было определенное начало, он высказал утверждение, которое, как потом оказалось, содержало в себе логическое противоречие.

«Теперь мы подходим к вопросу о том[281], проходят ли более ранние теории проверку наблюдениями. Эти теории были основаны на гипотезе, что вся материя во Вселенной была создана во время одного большого взрыва, который произошел в определенный момент в далеком прошлом (выделено мной. – М. Л.) Теперь же выясняется, что все эти теории в той или иной степени противоречат данным наблюдений.»

Так родился термин «Большой взрыв», который с тех пор стал неразрывно связан с событием, положившим начало нашей Вселенной. Вопреки распространенному мнению, Хойл не вкладывал в эти слова уничижительный смысл. Напротив, он пытался создать образ, понятный слушателям. Парадокс заключается в том, что ввел в обращение и популяризировал выражение «Большой взрыв» ученый, который всегда был противником стоящей за этими словами идеи. Это название выдержало даже публичный референдум[282]. В 1993 году журнал «Sky and Telescope» провел среди читателей конкурс на более подходящее название – в целом это, видимо, была попытка соблюсти некую политкорректность вселенского масштаба. Когда трое членов жюри, в том числе Карл Саган, просеяли 13 099 заявок, оказалось, что никакой достойной замены среди них не нашлось. Название этой главы («Б – значит Большой взрыв») – это аллюзия на название английского научно-фантастического телесериала «А – значит Андромеда», сюжет которого сочинили Хойл и телепродюсер Джон Эллиот. Сериал, состоявший из семи эпизодов, вышел в 1961 году, и это была первая крупная роль актрисы Джули Кристи.

Фред Хойл[283] родился 24 июня 1915 года в Англии, в деревне Джилстед близ города Бингли в графстве Йоркшир. Его отец был торговцем шерстью и текстилем, а во время Первой мировой войны был призван в пулеметные войска и отправлен во Францию. Мать училась музыке и некоторое время играла на пианино в местном кинотеатре, сопровождая показ немых фильмов. Сначала Фред Хойл хотел стать химиком, но в Кембридже изучал математику и выказал такие выдающиеся способности, что в 1939 году был принят в штат колледжа Св. Иоанна. В 1958 году он занял престижный пост Плумианского профессора астрономии и экспериментального естествознания в Кембридже. Этот пост, кстати, в 1883–1912 годах занимал Джордж Дарвин, сын Чарльза Дарвина.

С ранних лет было очевидно, что Хойл склонен к независимости, а подчас и к бунту. Впоследствии он вспоминал: «С пяти до девяти лет я вел практически непрерывную войну с системой образования… едва я узнал от матери, что есть такое место, которое называется школа и куда я волей-неволей буду ходить, место, где приходится думать о том, что велит некто учитель, как меня охватил ужас и возмущение»[284]. Презрение к общепринятым правилам не прошло и к университетским годам. Например, в 1939 году Хойл решил не защищать диссертацию[285] – по самым что ни на есть «приземленным мотивам», выражаясь его же словами: чтобы не платить более высокий подоходный налог!

Неудивительно, что из крайне любознательного независимого мыслителя вырос блистательный ученый. По масштабам вклада в астрофизику и космологию Хойл был, пожалуй, главной фигурой как минимум за четверть столетия. Однако он никогда не боялся споров и противоречий. «Чтобы добиться в науке чего-то сколько-нибудь дельного, – писал он однажды, – необходимо оспаривать мнения соратников. А чтобы делать это с успехом, а не просто прослыть чудаком, нужно уметь рассуждать трезво, особенно когда выносишь суждения по материям, которые невозможно проверить быстро»[286]. Вскоре мы увидим, что чрезмерная принципиальность и привела Хойла к провалу.

1939 год стал для Хойла переломным – и не только из-за начала Второй мировой войны. Так вышло, что два его научных руководителя один за другим покинули Кембридж, получив должности в других научных учреждениях. Третьим научным руководителем Хойла был великий Поль Дирак, один из основателей квантовой механики, революционного представления о субатомном микромире. По сравнению с сокровищницей новых идей, возникших в науке в двадцатые годы, наука конца тридцатых казалась стоячим болотом. Впоследствии Хойл писал, что в один прекрасный день в 1939 году Дирак сказал ему: «В 1926 году бывали люди, которые не очень хорошо решали важные задачи, однако сейчас даже блестящие умы не могут найти себе важных задач»[287]. Хойл очень серьезно воспринял это предупреждение и переключился с чисто теоретической ядерной физики на звезды.

Вклад Хойла в науку велик и многогранен, однако на этих страницах я хочу сосредоточиться лишь на нескольких его открытиях в одной конкретной области – ядерной астрофизике. Труды Хойла в этой области стали одним из столпов, на которых зиждется современное понимание природы и эволюции звезд. А по пути Хойл разгадал и загадку, как во Вселенной образовались атомы углерода, служащие краеугольным камнем жизни во всей ее сложности. Однако чтобы осознать всю значительность достижений Хойла, нужно сначала понять, на какой почве и в какой обстановке он сделал свои открытия.

История вещества.

Пролог

На стене в любом кабинете химии и физики висит плакат с периодической таблицей Менделеева (илл. 19). Подобно тому как наш язык состоит из слов, составленных из букв алфавита, все обычное вещество в космосе состоит из химических элементов. Элементы – это вещества, которые нельзя простыми химическими средствами разложить на более простые или модифицировать. Русский химик Дмитрий Менделеев[288] прославился не только тем, что еще в середине XIX века открыл периодические закономерности, которые легли в основу периодической таблицы, но и тем, что у него хватило отваги предсказать свойства элементов, которые еще не были открыты, но должны были занять свободные места в таблице. Во многих отношениях периодическая таблица – символ прогресса, которого достигла наука с тех времен, когда Эмпедокл и Платон предполагали, что вещество состоит из знаменитых четырех стихий – земли, воды, воздуха и огня. Позволю себе курьезное отступление: самое миниатюрное изображение периодической таблицы Менделеева было выгравировано в 2011 году на человеческом волосе[289]. Волос принадлежал профессору Мартину Полякову из Ноттингемского университета в Великобритании, а гравировка была выполнена в университетском нанотехнологическом центре (после чего волос вернули Полякову в подарок на день рождения).

На сегодня периодическая таблица состоит из 118 элементов – самый последний, унуноктий, был синтезирован в 2002 году, – 94 из которых встречаются в естественных условиях на Земле. Если задуматься, это довольно большой набор первичных строительных кирпичиков, а следовательно, сам собою напрашивается вопрос, откуда взялись все эти химические элементы. А можно сформулировать его и иначе: нет ли у этих довольно сложных сущностей более простых составляющих?

Эти вопросы и в самом деле были заданы еще до публикации периодической таблицы. В двух статьях, вышедших в свет в 1815 и 1816 году, английский химик Уильям Праут[290] выдвинул гипотезу, что атомы всех элементов – на самом деле конденсаты разного количества атомов водорода. Астрофизик Артур Эддингтон на основании общих принципов гипотезы Праута и результатов экспериментов, которые получил физик Фрэнсис Астон, сформулировал собственную догадку. В 1920 году Эддингтон предположил[291], что четыре атома водорода могут каким-то образом объединиться и составить атом гелия. Небольшая разница между общей массой четырех атомов водорода и одного атома гелия, по предположению Эддингтона, должна высвобождаться в виде энергии – согласно знаменитому уравнению Эйнштейна E = mc ², выражающему связь между массой и энергией (где E – энергия, m – масса, а c – скорость света). Эддингтон подсчитал, что тогда Солнце за счет преобразования нескольких процентов своей массы из водорода в гелий может светить миллиарды лет. Менее известен другой факт: примерно в то же время примерно такую же гипотезу выдвинул и французский физик Жан Перрен[292].

Несколько лет спустя Эддингтон сделал дальнейшие выводы: вероятно, звезды и Солнце – естественные «лаборатории», в которых идут ядерные реакции, преобразующие одни элементы в другие. Когда некоторые физики из лаборатории Кавендиша возразили, что внутренней температуры Солнца недостаточно, чтобы заставить два протона преодолеть электростатическое отталкивание, Эддингтон, как рассказывают, ответил знаменитой фразой: «Так найдите, где жарче»[293]. Гипотеза Эддингтона и Перрена знаменовала рождение идеи звездного нуклеосинтеза в астрофизике: представления о том, что по крайней мере некоторые химические элементы можно синтезировать в жарких недрах звезд. Как вы, наверное, уже догадались, Эддингтон был среди самых верных сторонников теории относительности Эйнштейна, особенно общей теории относительности. Как-то раз к Эддингтону подошел физик Людвиг Зильберштейн и сказал, что все считают, будто общую теорию относительности во всем мире понимают лишь три человека, и Эддингтон – один из них. Эддингтон ответил не сразу, и Зильберштейн подбодрил его: «Ну-ну, не скромничайте!» На что Эддингтон проговорил: «Напротив, мне интересно, кто же третий»[294]. На илл. 20 приведена фотография Эйнштейна и Эддингтона в Кембридже.

Чтобы узнать, как же дальше развивалась история образования элементов, давайте вспомним некоторые основные свойства атомов. Памятки короче, пожалуй, и не придумаешь. Все обычное вещество состоит из атомов, и у всех атомов в серединке крошечные ядра (радиус атома более чем в 10 000 раз больше радиуса ядра), вокруг которых вращаются электроны, создавая орбитальные облака. Ядро состоит из протонов и нейтронов, почти равных по массе (нейтрон чуть-чуть тяжелее протона), и каждый из них примерно в 1840 раз массивнее электрона. Нейтроны, заключенные в устойчивом ядре, стабильны, а свободный нейтрон нестабилен – в среднем за 15 минут он распадается на протон, электрон и практически невидимую очень легкую электрически нейтральную частицу под названием антинейтрино. Нейтроны в нестабильных ядрах распадаются точно так же.

Самый простой и легкий атом – это атом водорода. Он состоит из ядра, в котором всего один протон. Вокруг этого протона вращается один электрон, вероятность нахождения которого на определенной орбите можно рассчитать средствами квантовой механики. Кроме того, водорода во Вселенной больше всего, он составляет примерно 74 процента всего обычного вещества (его еще называют барионным веществом). Барионное вещество – это вещество, из которого состоят звезды, планеты и мы с вами. Если двигаться по рядам периодической таблицы (илл. 19), с каждым следующим элементом число протонов в ядре возрастает на один, как и количество вращающихся вокруг ядра электронов. Поскольку число протонов равно числу электронов (и их электрические заряды противоположны по знаку и равны по величине), атомы в невозмущенном состоянии электрически нейтральны. За водородом в периодической таблице следует гелий, у которого в ядре два протона. Кроме того, ядро гелия содержит два нейтрона, которые электрически не заряжены. Гелий – второй по количеству элемент во Вселенной, он составляет примерно 24 процента обычного вещества в космосе. Атомы одного и того же химического элемента имеют одинаковое число протонов, и это число называется атомным числом элемента. Атомное число водорода – 1, железа – 26, урана – 92. Общее количество протонов и нейтронов в ядре называется атомной массой. У водорода атомная масса 1, у гелия 4, у углерода 12. Ядра одного и того же химического элемента могут содержать разное количество нейтронов, и они называются изотопами этого элемента. Например, неон, у которого 10 протонов, может образовывать изотопы с 10, 11 и 12 нейтронами в ядре. Изотопы принято обозначать так: ²⁰Ne, ²¹Ne и ²²Ne. Подобным же образом водород (один протон, ¹H) встречается в природе и в виде изотопа дейтерия (один протон и один нейтрон в ядре, ²H), и в виде изотопа трития (один протон и два нейтрона в ядре, ³H).

Вернемся к основной проблеме синтеза различных элементов. Физики первой половины ХХ века столкнулись с рядом вопросов, связанных с периодической таблицей. Во-первых и в-главных, как формируются все эти элементы? Однако были и другие вопросы: почему одни элементы, например, золото или уран, встречаются очень редко (и потому-то и стоят так дорого), а другие, например, железо или кислород, распространены гораздо больше (кислород встречается примерно в сто миллионов раз чаще золота)? А еще – почему звезды состоят в основном из водорода и гелия?

Представления о процессе формирования элементов с самого начала были тесно связаны с колоссальными энергетическими запасами звезд. Вспомним, что еще Гельмгольц и Кельвин предположили, что энергия Солнца вырабатывается благодаря медленному сжатию и связанному с ним высвобождению гравитационной энергии. Однако, как ясно показал Кельвин, этот запас обеспечил бы солнечное излучение лишь на ограниченное время – не более чем на несколько десятков миллионов лет. А подобные ограничения прискорбным образом противоречили геологическим и астрофизическим данным, которые все точнее и точнее показывали, что и Земле, и Солнцу уже несколько миллиардов лет. Эддингтону было прекрасно известно о подобном вопиющем несоответствии. В обращении к съезду Британской ассоциации в Кардиффе 24 августа 1920 года он сделал следующее пророческое заявление:

«Гипотеза о сжатии Солнца жива лишь благодаря инерции традиций – и даже не столько жива, сколько еще не похоронена[295]. Но раз уж мы решили предать ее мертвое тело земле, давайте честно и откровенно признаем, в каком положении мы очутились. Звезда черпает энергию из какого-то обширного источника, о котором мы не имеем ни малейшего представления. Между тем этот источник, скорее всего, состоит из субатомной энергии, которая, как известно, в изобилии содержится в любом веществе (выделено мной. – М. Л.).»

Несмотря на энтузиазм вокруг идеи, что звезды черпают энергию из четырех ядер водорода, которые сливаются воедино и образуют атом гелия, Эддингтон не мог придумать конкретного механизма, необходимого для обеспечения этого процесса. В частности, оставалась нерешенной проблема электростатического отталкивания, о которой мы уже говорили. Препятствие заключается вот в чем: два протона (ядра атомов водорода) отталкиваются друг от друга, поскольку оба несут положительные электростатические заряды. Эта сила, так называемая сила Кулона (в честь французского физика Шарля Огюстена де Кулона), действует на любом расстоянии, поэтому служит доминирующей силой, действующей между протонами на расстояниях больше размера атомного ядра. Однако внутри ядра верх берет мощная ядерная сила притяжения[296], которая способна преодолеть электростатическое отталкивание. Следовательно, чтобы протоны в ядрах звезд соединялись друг с другом, как представлял себе Эддингтон, нужно, чтобы в их беспорядочном движении у них была достаточно большая кинетическая энергия, иначе они не смогут преодолеть кулоновский барьер и не смогут взаимодействовать посредством ядерной силы притяжения.

Слабое место гипотезы Эддингтона состояло в том, что расчетная температура в центре Солнца была недостаточной, чтобы снабдить протоны необходимой энергией. В классической физике это означало бы смертный приговор для подобного сценария: частицы с недостаточной энергией не могли бы преодолеть барьер, и все тут. К счастью, на помощь пришла квантовая механика – теория, описывающая поведение субатомных частиц и света. Согласно квантовой механике, частицы могут вести себя как волны, и все процессы по сути своей вероятностны. У волны, в отличие от частицы, нет точного положения в пространстве, она в нем распространяется. Точно так же как некоторые океанские волны, бьющиеся о волнолом, перехлестывают через него, есть некоторая (небольшая) вероятность, что даже протоны, энергии у которых, по классическим представлениям, недостаточно, чтобы преодолеть кулоновский барьер, все равно будут взаимодействовать. Опираясь на квантово-механический эффект туннелирования[297], физик Георгий Гамов – и независимо от него две группы исследователей, одна под руководством Роберта Аткинсона и Фридриха Хоутерманса, другая – во главе с Эдвардом Кондоном и Рональдом Гарни – в конце 1920 годов показали, что при условиях, превалирующих в недрах звезд, протоны и в самом деле могут соединяться.

Первыми вывели, какие именно ядерные реакции обеспечивают слияние четырех атомов водорода в одно ядро гелия, физики Карл Фридрих фон Вайцзеккер в Германии и Ганс Бете и Чарльз Кричфилд в США. В замечательной статье, опубликованной в 1939 году[298], Бете рассказал о двух возможных способах производства энергии, при которых водород преобразуется в гелий. Первый называется протон-протонный цикл[299]: сначала два протона объединяются в дейтерий – изотоп водорода с одним протоном и одним нейтроном в ядре, – после чего они захватывают один дополнительный протон, и дейтерий превращается в изотоп гелия. Второй механизм, углеродно-азотный цикл, – это циклическая реакция, в ходе которой ядра углерода и азота играют роль исключительно катализаторов. В итоге опять же происходит слияние четырех протонов, которые формируют одно ядро гелия, и это сопровождается высвобождением энергии. Первоначально Бете полагал, что Солнце производит энергию главным образом через углеродно-азотный цикл, однако эксперименты в Радиационной лаборатории Келлога в Калифорнийском технологическом институте впоследствии показали, что в основном энергию Солнца обеспечивает протон-протонный цикл, а углеродно-азотный цикл доминирует в производстве энергии лишь в более массивных звездах.

Наверное, вы заметили, что само название углеродно-азотного цикла предполагает присутствие атомов углерода и азота в качестве катализаторов. Однако теория Бете не сумела показать, как именно сформировались во Вселенной эти самые углерод и азот, откуда они взялись. Бете размышлял над вероятностью, что углерод мог быть синтезирован из трех ядер гелия (ядро гелия состоит из двух протонов, а ядро углерода из шести). Однако, завершив расчеты, Бете сделал вывод, что «при нынешних условиях [то есть при плотностях и температурах, наблюдаемых в большинстве звезд, подобных Солнцу] нет никакой возможности постоянно производить в недрах звезд ядра тяжелее гелия»[300]. Поэтому вердикт Бете был таков: «Приходится признать, что более тяжелые [чем гелий] элементы были созданы до того, как звезды достигли нынешней температуры и плотности».

Вокруг этого заявления Бете разгорелись жаркие споры, поскольку астрономы и геофизики в то время полагали, что разные химические элементы по большей части должны иметь общее происхождение. В частности, тот факт, что атомы наподобие углерода, кислорода, азота и железа, судя по всему, распределены равномерно по всей галактике Млечный Путь, явно указывает на какой-то вселенский процесс формирования. Следовательно, чтобы принять вердикт Бете, физикам нужно было выяснить, в каком таком общем котле варились элементы до того, как звезды пришли в нынешнее равновесное состояние.

Казалось, теория завела в тупик и сейчас у всех опустятся руки, но тут неугомонный Георгий Гамов (которого друзья и коллеги звали Гео) и его студент Ральф Альфер высказали блистательную на первый взгляд мысль: что если элементы были созданы тогда, когда Вселенная пребывала в первоначальном состоянии и была очень плотной и горячей – то есть в момент Большого взрыва? Сама по себе концепция была до гениальности проста. В момент сверхплотного первичного фейерверка, по мнению Гамова и Альфера, вещество состояло из сильно сжатого нейтронного газа. Это первичное состояние они назвали илем – от древнегреческого yle и средневекового латинского hylem – «материя». Все эти нейтроны стали распадаться на протоны и электроны, и тогда и могли возникнуть все более тяжелые ядра – они последовательно захватывали по одному нейтрону из оставшегося океана нейтронов (а эти нейтроны впоследствии распадались на протоны, электроны и антинейтрино). Таким образом атомы, как предполагалось, стройными рядами двигались по таблице Менделеева, с каждым захваченным нейтроном взбираясь на ступеньку выше. Как предполагалось, весь этот процесс контролируется, с одной стороны, вероятностью, что конкретное ядро захватит еще один нейтрон, а с другой – расширением Вселенной (которое было открыто в конце 1920 годов, о чем мы поговорим в следующей главе). Космическое расширение вызвало общее уменьшение плотности материи со временем, а поэтому темпы ядерных реакций тоже снизились. Ральф Альфер, в то время аспирант Гамова, выполнил большую часть расчетов, и результаты были опубликованы[301] в номере «The Physical Review» за 1 апреля 1948 года (Гамов любил выпускать статьи в День дурака). Остроумец Гео подметил, что если он возьмет в соавторы статьи Ганса Бете (который на тот момент вообще не участвовал в его расчетах!), то три фамилии – Альфер, Бете, Гамов – будут соответствовать трем первым буквам греческого алфавита – альфа, бета, гамма. Бете согласился поставить свое имя, и эту статью часто так и называют – «алфавитная статья»[302]. В том же году Альфер в сотрудничестве с физиком Робертом Германом работал над расчетом температуры реликтового излучения, оставшегося после Большого взрыва, которое теперь называют космическим микроволновым фоновым излучением. Гео, который всю жизнь был страстным любителем каламбуров, в своей книге «Сотворение Вселенной» (G. Gamow. The Creation of the Universe) шутит, что Роберт Герман «упорно отказывался менять фамилию на Дельтер[303] [чтобы соответствовать четвертой букве греческого алфавита дельте]».

Хотя схема Альфера и Гамова была очень красива, вскоре стало очевидно, что хотя нуклеосинтез в раскаленном «эпицентре» Большого взрыва и вправду мог обеспечить относительно много изотопов водорода и гелия (а также немного лития и еле заметное количество бериллия и бора), когда речь заходила о создании еще более тяжелых элементов, возникала череда неразрешимых проблем. Их суть легко понять, если прибегнуть к простой механической метафоре: очень трудно взбираться по лестнице, когда не хватает некоторых ступеней. В природе нет стабильных изотопов с атомной массой 5 и 8. То есть стабильные изотопы гелия имеют атомную массу лишь 3 и 4, стабильные изотопы лития – 6 и 7, единственный по-настоящему стабильный изотоп бериллия имеет атомную массу 9 (а с атомной массой 10 он всего лишь долгоживущий) и т. д. Атомных масс 5 и 8 нет. Следовательно, гелий (атомная масса 4) не может захватить еще один нейтрон и создать ядро, которое оказалось бы достаточно долгоживущим, чтобы продолжить алгоритм захвата нейтрона. Такие же сложности возникают и у лития из-за пропуска на месте атомной массы 8. Пропуски в череде атомных масс досадным образом мешали прогрессу по алгоритму Гамова и Альфера. Даже великий физик Энрико Ферми[304], совместно с коллегой довольно подробно изучив эту проблему, с огорчением отметил, что синтез во время Большого взрыва «не может объяснить, как были сформированы элементы».

Вывод Ферми, что углерод и более тяжелые элементы не могли возникнуть во время Большого взрыва, в сочетании с утверждением Бете, что эти элементы не могут создаваться в звездах и в Солнце, привел к неразрешимой, казалось бы, загадке: как же синтезировались тяжелые элементы?

Именно в этот момент на сцену и вышел Фред Хойл.

И сказал Бог: да будет Хойл

Во второй половине 1944 года Хойл работал над военно-морскими радарами и по долгу службы оказался в США, где воспользовался случаем и познакомился в Маунт-Вильсоновской обсерватории с одним из самых авторитетных астрономов своего времени Вальтером Бааде. От Бааде Хойл узнал, насколько плотными и горячими могут стать ядра массивных звезд на поздних стадиях жизни. Изучив эти экстремальные условия, Хойл понял, что при температурах, приближающихся к миллиарду градусов, протоны и ядра гелия могут легко переходить кулоновский барьер других ядер, а в результате ядерные реакции и взаимообмен в обе стороны может происходить так часто, что весь ансамбль частиц приходит в состояние так называемого статистического равновесия.

При ядерном статистическом равновесии ядерные реакции происходят по-прежнему, однако темпы прямых и обратных реакций становятся примерно одинаковыми, поэтому в целом соотношение количества элементов остается постоянным. Поэтому, заключил Хойл, можно при помощи мощных методов отрасли физики под названием статистическая механика оценить относительное количество разных химических элементов. Однако, чтобы произвести эти вычисления, Хойлу нужно было знать массы всех участвующих в реакциях ядер, а во время войны эта информация была ему недоступна. Хойлу пришлось ждать до весны 1945 года, и лишь тогда физик-ядерщик Отто Фриш предоставил ему таблицу масс. Хойл приступил к вычислениям – и это привело к публикации в 1946 году эпохальной статьи[305]. В этой статье Хойл обрисовал общие черты теории формирования элементов углерода и более тяжелых элементов в недрах звезд. Его идея будоражила воображение: углерод, кислород и железо существовали не всегда (то есть не были сформированы в результате Большого взрыва). Напротив, эти атомы, необходимые для создания живой материи, были выкованы в ядерных топках звезд. Только подумайте: отдельные атомы, из которых теперь состоят двойные цепочки наших ДНК, возможно, возникли миллиарды лет назад в ядрах самых разных звезд! Вся наша Солнечная Система возникла 4,5 миллиарда лет назад из смеси ингредиентов, выпекавшихся в недрах звезд предшествующих поколений! Астроном Маргерит Бербидж, которой десять лет спустя предстояло сотрудничать с Хойлом, прекрасно описала, как слушала доклад Хойла на конференции Королевского астрономического общества в 1946 году: «Я сидела в лектории КАО в полном восторге: на моих глазах творилось чудо – поднимали покров невежества, заслонявший ослепительный свет великого открытия»[306].

Тщательно изучив все следствия из своей зародышевой теории, Хойл с удовольствием обнаружил явный пик количества элементов, соседствующих в таблице Менделеева с железом – это вполне соответствовало данным наблюдений. Это получило название «железный пик», и по нему Хойл понял, что по крайней мере в чем-то он прав. Однако пропущенные ступеньки лестницы – отсутствие стабильных ядер с атомными массами 5 и 8 – по-прежнему пресекали все попытки выстроить подробную, а не схематическую последовательность ядерных реакций, которые могли бы создать все элементы.

Чтобы обойти проблему пропуска масс, в 1949 году Хойл решил пересмотреть возможность слияния трех атомов гелия для создания ядра углерода (которую Бете прежде отмел) и поставил эту задачу перед одним своим аспирантом. Поскольку ядра гелия известны также как альфа-частицы, эту реакцию называют тройным альфа-процессом (или тройной гелиевой реакцией). По воле случая[307] именно этот аспирант решил бросить диссертацию, не закончив (это был единственный случай подобного рода за всю карьеру Хойла), однако официально отчисляться не стал. В Кембридже для таких случаев установлены строгие правила академического этикета: Хойл не имел права даже приблизиться к этой задаче, пока либо этот аспирант, либо какой-нибудь независимый исследователь не опубликует соответствующий результат. Впоследствии два астрофизика и в самом деле опубликовали статьи по этой теме, хотя работа одного из них осталась практически незамеченной.

В 1951 году астроном Эрнст Эпик[308], эстонец, почти всю жизнь проработавший в Ирландии, предположил, что в сжимающихся ядрах эволюционированных красных гигантов температура может достигать нескольких сотен миллионов градусов. Эпик утверждал, что при таких температурах большая часть гелия перегорит в углерод. Однако поскольку статья Эпика была напечатана в сравнительно малоизвестном журнале «Proceedings of the Royal Irish Academy», и астрофизики о ней по большей части не услышали.

Астрофизик Эдвин Солпитер, который тогда только начинал научную деятельность в Корнеллском университете, тоже о ней не знал. Летом 1951 года Солпитер был приглашен посетить Радиационную лабораторию Келлога в Калифорнийском технологическом институте, где неутомимый астрофизик-ядерщик Вилли Фаулер и его группа углубились в изучение ядерных реакций, которые, как считались, играли важную роль в астрофизике. Отталкиваясь от тех же идей, что и Эпик, Солпитер изучил тройной альфа-процесс[309] в жаркой преисподней центра красных гигантов – то есть занялся именно той задачей, которую забросил аспирант Хойла. Солпитер сразу же понял, что едва ли можно ожидать, что три ядра гелия столкнутся одновременно. Однако нужно добиться, чтобы два из них держались вместе достаточно долго и дождались, когда с ними столкнется третье. Вскоре Солпитер обнаружил, что углерод может с небольшой вероятностью вырабатываться посредством двухшагового процесса. Сначала две альфа-частицы создают очень нестабильный изотоп бериллия (⁸Be), а затем бериллий захватывает третью альфа-частицу, и получается углерод. Однако здесь возникала серьезная проблема. Эксперименты показали, что именно этот изотоп бериллия распадается обратно на две альфа-частицы, и средний срок жизни у него поистине мимолетный – всего лишь около 10^–16 секунд (0,00… 1 на шестнадцатом месте после запятой). Вопрос был в том, может ли реакция при температуре свыше ста миллионов градусов Кельвина пойти так быстро, что эти эфемерные ядра бериллия все-таки успеют слиться с третьим ядром гелия, пока не распались.

Когда Хойл прочитал статью Солпитера, то первым делом страшно разозлился на самого себя за то, что выпустил из рук такие важные расчеты из-за недоразумения с аспирантом. Однако, пристально изучив весь комплекс ядерных реакций, Хойл оценил, что при условиях, которые предполагал Солпитер, весь углерод будет преобразовываться в кислород с той же скоростью, с какой он возникает, поскольку будет сливаться еще с одним ядром гелия. Вот как Хойл тридцать лет спустя описывал момент, когда ему в голову пришла эта важнейшая мысль: «“Бедняга Эд, не повезло”, – подумал я тогда [Эд Солпитер был на девять лет моложе Хойла][310]». Но было ли это приговором идее как таковой? Именно в таких ситуациях Хойл и проявлял свою невероятную интуицию в физике и ясность мысли. Начал он с очевидного: «Должен же ¹²C как-то синтезироваться!» Ведь углерод не просто сравнительно часто встречается во Вселенной, но и необходим для жизни. Мысленно оценив все возможные реакции, Хойл заключил: «Ничего лучше тройного альфа-процесса не придумать». Как же добиться, чтобы углерод не скатывался в кислород? По представлениям Хойла, этого можно было добиться только одним способом: «Тройной альфа-процесс должен идти гораздо быстрее, чем получается по расчетам[311] (выделено мной. – М. Л.)». То есть бериллий и гелий должны иметь возможность сливаться до того легко и проворно, что углерод успевает производиться быстрее, чем разрушается. Что же может так сильно подхлестнуть темп синтеза углерода? Физики-ядерщики знали лишь один такой фактор – «резонансное состояние» ядра углерода. Резонансные состояния – это те значения энергии, при которых вероятность реакции достигает максимума. Хойл обнаружил, что в тех случаях, когда количество энергии ядра углерода идеально соответствует энергетическому эквиваленту суммы масс ядра бериллия и альфа-частицы (плюс кинетическая энергия движения), темп слияния бериллия с альфа-частицей существенно возрастает. То есть вероятность, что нестабильное ядро бериллия захватит ядро гелия (альфа-частицу) и образуется углерод, сильно возрастает. Однако Хойл не просто продемонстрировал, что резонанс – это хорошо. Он вычислил, при какой именно энергии ядра углерода возникает нужный эффект. Физики-ядерщики измеряют энергию в ядре единицами под названием МэВ – мегаэлектронвольт. Хойл вычислил, что для производства углерода[312] в том количестве, в котором он встречается в космосе, нужно резонансное состояние ¹²C с энергией примерно на 7,68 МэВ больше основного состояния ядра углерода. Более того, опираясь на уже открытые свойства симметрии ядер ⁸Be и ⁴He, Хойл предсказал симметрию этого резонансного состояния (а точнее, квантово-механические свойства под названием спин и четность).

Все это, конечно, производит сильное впечатление, если не принимать в расчет одной «мелкой» проблемы: науке не было известно подобное состояние! Сама идея, что Хойл сделал невероятно точное предсказание в области ядерной физики, опираясь на данные общей астрофизики (более того, оно было гораздо точнее, чем можно было бы сделать, исходя из данных самой ядерной физики), казалась тогда сущей нелепицей, однако дерзости Хойлу было не занимать.

Был январь 1953 года, Хойл взял творческий отпуск на несколько месяцев и проводил его в Калифорнийском технологическом институте. Вооружившись предсказанием доселе неизвестного уровня энергии для ядра углерода, Хойл пошел прямиком в кабинет Вилли Фаулера в лаборатории Келлога, чтобы узнать, не может ли Фаулер и его группа проверить его предсказание экспериментально. Эта встреча вошла в легенды. Фаулер вспоминал: «Пришел какой-то смешной человечек, который считал, что мы должны бросить все важные дела и заняться этим его спрогнозированным состоянием – ну, мы его и отшили. Уходите, юноша, вы нам мешаете»[313].

Самому Хойлу эта встреча показалась несколько более многообещающей.

«К моему удивлению, когда я объяснил, в чем трудность, Вилли не стал смеяться. Не помню, сразу он созвал ребят из Келлога [в число которых, помимо прочих, входили Уорд Уэйлинг, Уильям Венцель, Ноэль Данбар, Чарльз Барнс и Ральф Пиксли], через несколько часов или через день-два… После чего все согласились, что нужно провести новый эксперимент[314].»

В 2001 году во время интервью ни Уорд Уэйлинг, ни Ноэль Данбар не могли припомнить подробностей этой встречи[315], однако Чарльз Барнс вспомнил, что в маленьком кабинете Вилли Фаулера было не протолкнуться и что «едва Фред изложил свои идеи, как на лицах слушателей явственно отразился скепсис. Даже Вилли был настроен скептически». Что именно произошло во время этой встречи, остается неясным, однако в результате «ребята из Келллога» и в самом деле решили провести эксперимент, а группу, располагавшую самыми хорошими средствами для его проведения, возглавил Уорд Уэйлинг.

Уэйлинг, Данбар и их коллеги[316] решили подойти к проблеме при помощи бомбардировки ядер азота (¹⁴N) дейтерием (²H). В результате этой ядерной реакции получаются ядра углерода (¹²C) и альфа-частицы (⁴He). Тщательно исследовав энергию испускаемых альфа-частиц (и помня о законе сохранения энергии), исследователи сумели, с одой стороны, зарегистрировать испускаемые частицы с высокой энергией (оставлявшие углерод в основном состоянии низкой энергии), а с другой – выявить частицы, испускаемые с низкой энергией, поскольку тогда некоторое количество энергии оставалось в ядрах углерода. Полученные результаты были совершенно недвусмысленны. Не прошло и двух не недель, как группа экспериментаторов обнаружила резонанс в углероде при 7,68 МэВ (плюс-минус 0,03 МэВ) – что поразительным образом совпадало с предсказаниями Хойла! Результаты были описаны в статье[317], занявшей чуть больше страницы, и начиналась она так: «Хойл объясняет первоначальное формирование элементов тяжелее гелия следующим процессом [слиянием бериллия с гелием]». А в заключение исследователи выражали благодарность Хойлу: «Мы обязаны профессору Хойлу тем, что он указал нам на большое значение подобного уровня энергии для астрофизики».

Несмотря на потрясающе точное предсказание[318], Хойл понимал, что не время почивать на лаврах. Чтобы углерод и в самом деле сохранялся, требовалось, чтобы ядра подчинялись еще одному важному требованию: углерод не должен иметь возможность быстро захватить четвертую альфа-частицу, которая превратила бы все в кислород. Иначе говоря, нужно убедиться, что у ядра кислорода нет резонансного состояния, которое могло бы ускорить реакцию «углерод плюс альфа-частица». И Хойл одержал окончательную и бесповоротную победу – показал, что такая резонансная реакция и в самом деле не происходит, поскольку соответствующий уровень энергии ядра кислорода примерно на один процент ниже, чем необходимый для создания резонанса.

Казалось бы, заручившись подобным козырем, Хойл должен был бы немедленно заявить миру о своем открытии. Но на самом деле прошло более полугода[319] с момента, когда его предсказание подтвердилось, и лишь тогда Хойл выступил с кратким сообщением на конференции Американского физического общества в Альбукерке. Да и в последующие годы Хойл не придавал своему выдающемуся открытию особого значения. В 1986 году он заметил:

«В каком-то смысле это были мелочи. Но поскольку с точки зрения физиков это выглядело как необычайно успешное предсказание, оно оказало непропорционально сильное воздействие – заставило их отказаться от общепринятого тогда представления, что все элементы синтезировались в первые мгновения существования Вселенной при очень больших температурах, и смириться с более скучной мыслью, что элементы синтезируются в звездах[320].»

Другим, правда, не казалось, что это такие уж «мелочи». Когда неистовый Георгий Гамов решил кратко подытожить собственные представления о роли Хойла в теории формирования элементов, то выбрал для этого затейливую литературную форму и назвал свое сочинение «“Бытие” на новый лад»:

«В начале сотворил Бог излучение и илем. Илем же был безвиден и неисчислим, и нуклоны носились над бездною. И сказал Бог: да будет масса два. И стала масса два. И увидел Бог дейтерий, что он хорош. И сказал Бог: да будет масса три. И увидел Бог тритий и тральфий [так Гамов прозвал изотоп гелия ³He], что они хороши. И называл Бог число за числом, пока не дошел Он до трансурановых элементов. И увидел Бог все, что Он создал, и вот, нехорошо весьма. Так увлекся Он счетом, что позабыл объявить массу пять – и, естественно, более тяжелые элементы не могли образовываться. Бог был очень расстроен и сначала хотел сжать Вселенную обратно и начать все с начала. Но это было бы слишком просто. Посему, будучи всемогущим, Бог решил исправить ошибку Свою самым невозможным способом.

И сказал Бог: да будет Хойл. И стал Хойл. И увидел Бог Хойла… и повелел ему создавать тяжелые элементы, как только пожелает. И Хойл решил создавать тяжелые элементы в звездах и распространять их при помощи взрывов сверхновых. Но при этом он должен был подчиняться тому же закону распространенности элементов, который получился бы при нуклеосинтезе из илема, если бы Бог не забыл провозгласить массу пять. И так, с помощью Божией, создал Хойл тяжелые элементы таким способом, но был этот способ так сложен, что теперь ни Хойл, ни Бог – никто не понимает, как это получилось на самом деле.[321]»

Обратите внимание: согласно «“Бытию” на новый лад» совершать ляпсусы случалось даже Богу!

Королевская академия наук Швеции тоже не считала, что предсказание Хойла – это «мелкие подробности». В 1997 году она решила присудить Хойлу и Солпитеру престижную премию Крафорда «за первопроходческие результаты в изучении ядерных процессов в звездах и звездной эволюции». Объявляя о своем решении, Академия отмечала: «Вероятно, главнейшее его [Хойла] достижение в этой области – это статья, где он показал, что существование углерода в природе предполагает наличие определенного возбужденного состояния ядра углерода. Впоследствии это предсказание было подтверждено экспериментально»[322].

Вслед за статьей об уровне энергии ядра углерода Хойл опубликовал статью, где были заложены основы теории звездного нуклеосинтеза – концепции, согласно которой большинство химических элементов и их изотопов синтезируются из водорода и гелия посредством ядерных реакций в недрах массивных звезд. В этой статье, которая вышла в свет в 1954 году[323], Хойл объяснил, что распространенность тех или иных тяжелых элементов, которую мы наблюдаем сегодня, – это прямой результат звездной эволюции. Звезды проводят жизнь в непрерывной борьбе с гравитацией. В отсутствие противодействующих сил гравитация заставила бы любую звезду схлопнуться к центру. А «разжигая» у себя в недрах ядерные реакции, звезды создают сверхвысокие температуры, а возникающее в результате высокое давление помогает звездам сопротивляться воздействию собственного веса. Хойл писал о том, что когда кончаются все виды ядерного топлива в центре звезды (сначала водород перегорает в гелий, потом гелий в углерод, потом углерод в кислород и т. д.), гравитационное сжатие вызывает повышение температуры в недрах звезд – и тогда запускается следующая ядерная реакция. Хойл заключил, что таким образом в ходе каждого из последовательных эпизодов горения в ядре синтезируются все элементы вплоть до железа. Поскольку ядро звезды после каждого такого эпизода уменьшается в размере, звезда приобретает структуру, похожую на луковицу, где каждый слой состоит из основного продукта, если хотите, «пепла» от предыдущей ядерной реакции (илл. 21). Поскольку ядро железа стабильнее всех других, как только формируется железное ядро звезды, энергия от слияния атомных ядер в более тяжелые перестает поступать. Без источника внутреннего жара звезда не может сопротивляться гравитации, и ее ядро схлопывается – и при этом происходит мощный взрыв. Такие взрывы, так называемые взрывы сверхновых, с необычайной силой выбрасывают все «выплавленные» элементы в межзвездное пространство, где они обогащают газ, из которого формируются дальнейшие поколения звезд и планет. Температуры, которые при этом достигаются, так высоки, что элементы тяжелее железа формируются при бомбардировке звездного вещества нейтронами. Сценарий Хойла и в наши дни остается масштабной картиной, изображающей эволюцию звезд. Как ни странно, эта статья, заложившая основы теории звездного нуклеосинтеза, в свое время не привлекла особого внимания, вероятно, потому, что была напечатана в астрофизическом журнале, к тому же новом, с которым сообщество физиков-ядерщиков еще не было знакомо.

Илл. 21

Стоит ли говорить, что предсказание уровня резонанса в углероде, которое сделал Хойл, произвело сильное впечатление и на Вилли Фаулера. Сотрудничество Хойла и Фаулера и семейной команды астрономов Джеффри и Маргерит Бербидж привело к появлению одной из самых известных астрофизических работ. В 1957 году вышла фундаментальная статья Бербиджа, Бербидж, Фаулера и Хойла[324], которую часто называют B²FH, где приводилась общая теория синтеза в звездах всех элементов тяжелее бора. Кстати, когда Джони Митчелл в своей песне «Вудсток» пела «Мы – звездная пыль», то всего-навсего излагала слушателям краткий стихотворный пересказ статьи Хойла 1954 года и статьи B²FH. Четыре исследователя, опираясь на обширные астрономические данные о распространенности тяжелых элементов в звездах и метеоритах, присовокупили к ним важнейшие ядерно-физические данные экспериментов и испытания водородной бомбы на атолле Эниветок в Тихом океане 1 ноября 1952 года и подтвердили свои теоретические расчеты. Они описали ни много ни мало восемь ядерных процессов, синтезирующих элементы в звездах, и определили разные астрофизические условия, в которых эти процессы происходят. В статье B²FH совершенно справедливо отмечено, что данные наблюдений, согласно которым «звезды сильно различаются по химическому составу», – это сильный довод в пользу теории звездного нуклеосинтеза в противоположность представлению о том, что все элементы были созданы в момент Большого взрыва.

Да, это был сильный ход. Пространная – на 108 страниц – статья начиналась с романтической нотки: двух противоречащих друг другу цитат из Шекспира о том, правят ли звезды человеческой судьбой. Первая, из «Короля Лира», гласит: «В небе звезды судьбою нашей сверху руководят» (пер. М. Кузмина), далее следует «однако, возможно» – и вторая цитата, из «Юлия Цезаря»: «Не в звездах, нет, а в нас самих ищи причину, что ничтожны мы и слабы» (пер. П. Козлова). Кончается статья призывом к наблюдателям делать все возможное, чтобы определить относительную распространенность в звездах разных изотопов, поскольку именно с их помощью можно будет проверить, верны ли различные схемы ядерных реакций. На илл. 22 приведена групповая фотография, снятая в Институте теоретической астрономии в Кембридже в 1967 году. Фред Хойл – в середине второго ряда, слева от него – Маргерит Бербидж. В середине первого ряда – Вилли Фаулер, справа от него – Джефф Бербидж.

Однако на один вопрос статья B²FH ответить не сумела. Как ни старались Хойл и его коллеги, они не сумели подтвердить, что самые легкие элементы действительно формируются внутри звезд. Дейтерий, литий, бериллий и бор были слишком нестойки, а жар в недрах звезд – так высок, что эти элементы в ходе ядерных реакций не создавались, а разрушались. Сложности возникли и с гелием, вторым по распространенности элементом в космосе. Казалось бы, это неожиданно, поскольку звезды вырабатывают гелий, и это бесспорно. Ведь слияние четырех атомов водорода в гелий, как-никак, служит главным источником энергии для большинства звезд вроде Солнца! Трудности возникли не с синтезом гелия как таковым, а с тем, чтобы синтезировать достаточное его количество. Подробные подсчеты показали, что звездный нуклеосинтез предсказывает уровень распространенности гелия в космосе всего в 1–4 %, а наблюдаемое его количество – 24 %. А значит, единственной строительной площадкой для самых легких элементов, как и предполагали Гамов и Альфер, становился Большой взрыв.

Наверное, вы заметили, что история о генезисе элементов – «история вещества», как выражался Хойл, – содержит своего рода «компромисс космического масштаба». Гамов хотел, чтобы все элементы были созданы в течение нескольких минут после Большого взрыва («на это ушло меньше времени, чем нужно, чтобы приготовить утку с жареной картошкой»). Хойл хотел, чтобы все элементы «выплавлялись» в недрах звезд, в долгом процессе звездной эволюции. Природа предпочла золотую середину: легкие элементы вроде дейтерия, гелия и лития и в самом деле синтезировались в результате Большого взрыва, однако все более тяжелые элементы, а в особенности необходимые для жизни, были изготовлены в недрах звезд.

Хойлу даже представился случай изложить свою «историю вещества» в Ватикане. За несколько месяцев до выхода в свет статьи B²FH Папская академия наук и Ватиканская обсерватория организовали в Ватикане научную конференцию о «звездных популяциях». Приглашенных было всего десятка два, и в их число вошли самые выдающиеся астрономы и астрофизики того времени. О своих результатах в области синтеза элементов докладывали и Хойл, и Фаулер[325], а Хойла попросили также выступить с кратким заключительным словом и подвести итоги конференции с точки зрения физики[326]. Голландский астроном Ян Оорт сделал то же самое с точки зрения астрономии. На открытии конференции 20 мая 1957 года участники встретились с Папой Пием XII. На илл. 23 видно, как Хойл пожимает Папе руку. Справа от Хойла спиной к нам стоит Вилли Фаулер, а справа от Папы лицом к нам – Вальтер Бааде.

Как говорится, остальное – история. Экспериментальная и теоретическая программы лаборатории Келлога под деятельным руководством Вилли Фаулера сделали лабораторию центром ядерной астрофизики. Впоследствии, в 1983 году, Фаулер получил Нобелевскую премию по физике (совместно с астрофизиком Субраманьяном Чандрасекаром). Многие, в том числе и сам Фаулер, считали, что премию стоило дать и Хойлу. В 2008 году Джеффри Бербидж, один из «В» в B²FH, даже заявил: «Теорией звездного нуклеосинтеза[327] мы обязаны исключительно Фреду Хойлу, что видно и из его статей 1946 и 1954 годов, и из нашей совместной работы B²FH. Когда мы писали B²FH, то опирались на более ранние работы Хойла».

Почему же Хойлу не дали Нобелевскую премию? На сей счет существуют разные мнения. На основании частной переписки Джефф Бербидж сделал вывод, что главной причиной подобной несправедливости стало общее мнение (Бербидж настаивал, что оно ошибочно), будто бы руководителем группы B²FH был Фаулер. Сам Хойл, судя по всему, считал, что премии ему не досталось, поскольку он критиковал Нобелевский комитет, когда тот присудил премию за открытие пульсаров Энтони Хьюишу, а не его аспирантке Джоселин Белл, которая на самом деле сделала это открытие. Другие считают, что роковую роль в том, что Хойл не получил премии, вероятно, сыграли его нетрадиционные представления о Большом взрыве, о которых мы подробно поговорим в следующей главе.

Откуда же взялось столько противоречивых взглядов? Почему, собственно, Хойл так возражал против идеи Большого взрыва?

В годы Второй Мировой войны Хойлу пришлось работать в Управлении связи при Адмиралтействе в Уитли, в графстве Сюррей. Там он подружился с двумя младшими коллегами: уроженцем Австрии еврейского происхождения Германом Бонди и Томасом Голдом, которого все называли Томми. Оба бежали в Англию от нацистов. По иронии судьбы британское правительство до назначения на службу в военно-морское ведомство в Уитли интернировало и Бонди, и Голда как подозрительных иностранцев, поскольку оба были родом из Австрии.

Вот как Голд описывал первое впечатление, которое произвел на него Хойл: «Вид у него был какой-то странный, похоже, он не слушал, когда с ним говорили, а сильный северный акцент был совершенно не к месту». Однако Голд очень быстро переменил мнение.

«Кроме того, я обнаружил, что ошибался, когда считал, будто Хойл никого не слушает. На самом деле он слушал очень внимательно и обладал весьма цепкой памятью, как мне предстояло обнаружить впоследствии: частенько он помнил мои слова куда лучше меня самого. Мне кажется, он надевал эту маску не для того, чтобы сказать «Я вас не слушаю», а для того, чтобы дать понять: «Не пытайтесь повлиять на меня, свое мнение я сформулирую сам»[328].»

Когда эта троица – Хойл, Бонди и Голд – занимались на военной службе радарами, то в минуты досуга они говорили об астрофизике, и этот обмен мнениями после войны продолжился и перерос в сотрудничество[329]. В 1945 году все трое вернулись в Кембридж и до 1949 года каждый день проводили по нескольку часов вместе дома у Бонди. Именно в этот период они начали задумываться о космологии – изучении наблюдаемой Вселенной в целом, как единой сущности. Королевское астрономическое общество обратилось к Бонди с просьбой написать «ноту» – так тогда называли обзорные статьи, где вкратце излагалось положение дел в обширной отрасли знаний. Хойл предложил сделать темой статьи космологию[330], поскольку, по его мнению, «эту тему давно уже задвигают на второй план». Чтобы подготовиться и собраться с силами перед написанием статьи, Бонди погрузился в изучение существовавшей на тот момент литературы и числе прочего прочитал масштабную статью «Релятивистская космология» физика Говарда Перси Робертсона. Хойл уже был знаком с этой статьей, но решил просмотреть ее снова, поподробнее. И Хойл, и Бонди поняли, что в этой статье энциклопедического толка довольно-таки бесстрастно описывались разные гипотезы об эволюции космоса, однако никакого мнения не предлагалось. Хойл с присущим ему нонконформизмом тут же задумался: «А все ли он [Робертсон] охватил, не упустил ли чего-нибудь? Может быть, есть и другие варианты?» Между тем Голд углубился в философские аспекты эволюции Вселенной. Все это заложило основы теории стационарной Вселенной, которая и была выдвинута в 1948 году. Как мы вскоре обнаружим, эта теория была серьезной соперницей теории Большого взрыва на протяжении более чем полувека и лишь потом стала предметом жарких и зачастую ожесточенных споров.

Смелые идеи, неоправданные предвосхищения и спекулятивное мышление – вот наши единственные средства интерпретации природы, наш единственный органон, наш единственный инструмент ее понимания. И мы должны рисковать для того, чтобы выиграть. Те из нас, кто боится подвергнуть риску опровержения свои идеи, не участвуют в научной игре.

Карл Поппер(Пер. А. Никифорова)

Самые влиятельные работы Фреда Хойла относятся к областям ядерной астрофизики и эволюции звезд. Однако большинство тех, кто помнит его по научно-популярным книгам и выдающимся радиопередачам, знают его как космолога и пропагандиста идеи стационарной Вселенной. Что же это значит – быть космологом?

Вопрос «Каково расстояние от Земли до ближайшей планеты» современную космологию не занимает. Даже вопрос более крупного масштаба, например, «Каково расстояние от Млечного Пути до соседней галактики», и то не предмет космологии. Космология изучает общие свойства наблюдаемой Вселенной в среднем – то, что получается, если усреднить все данные, которые получают наши самые мощные телескопы. Хотя галактики склонны собираться и в маленькие группы, и в крупные скопления, и те, и другие держит сила тяготения, и если мы возьмем достаточно крупный объем, Вселенная окажется очень однородной и изотопной. Иначе говоря, во Вселенной нет привилегированных мест и все примерно одинаково выглядит, куда ни посмотри. С точки зрения статистики любой космический куб со стороной 500 миллионов световых лет или больше с точки зрения содержимого будет выглядеть как все остальные такие же кубы, где бы они ни находились (один световой год – это расстояние, которое свет проходит за год, примерно 9 триллионов километров). И чем больше брать масштаб, тем точнее становится это приблизительное усреднение – вплоть до «горизонта» наших телескопов. Космология занимается именно теми вопросами, ответы на которые одинаковы, независимо от того, в какой галактике мы оказались или в какую сторону случайно направили телескоп.

Эйнштейн выдвинул идею крупномасштабной однородности и изотропии пространства еще в 1917 году, однако эта упрощающая поправка получила высокий статус фундаментального принципа благодаря статье английского астрофизика Эдуарда Артура Милна, вышедшей в 1933 году. Милн назвал свой принцип «расширенным принципом относительности»: согласно ему, «не только законы природы, но и события, происходящие в природе и само мироздание должны представляться наблюдателю одинаковыми, где бы он ни находился»[331]. Сегодня оговорка об однородности и изотопии называется космологическим принципом (этот термин ввел в обращение немецкий астроном Эрвин Финлей-Фройндлих), а самое сильное прямое доказательство его справедливости – «Отсвет Творения», реликтовое фоновое космическое микроволновое излучение. Реликтовое излучение – это отпечаток первобытного состояния Вселенной, когда она была горячей, плотной и непрозрачной. Это излучение идет отовсюду, и оно изотропно с точностью выше одной десятитысячной (по выражению астронома Боба Киршнера, «гораздо глаже, чем попка младенчика»). Кроме того, о высокой однородности свидетельствуют и исследования галактик на больших пространственных масштабах. Во всех исследованиях, которые охватывают такой большой кусок космического пространства, что его можно назвать «хорошим образцом», даже самые заметные и бросающиеся в глаза особенности космической структуры мельчают и сглаживаются.

Поскольку действенность космологического принципа для разных участков пространства доказана, естественно задаться вопросом, можно ли обобщить его и на время. То есть можно ли утверждать, что крупномасштабная структура Вселенной не меняется со временем и так же постоянны ее физические законы? Именно этот серьезный вопрос задали себе Хойл, Бонди и Голд в 1948 году. Как ни курьезно, подсказал его блистательной троице, вероятно, английский фильм ужасов «Глубокой ночью» (на илл. 24 приведен оригинальный плакат к фильму). Вот как описывал последовательность событий сам Хойл:

«В каком-то смысле теория стационарной Вселенной, можно сказать, зародилась тем вечером, когда мы с Бонди и Голдом в очередной раз зашли в кино в Кембридже… В нем [то есть в фильме «Глубокой ночью»] рассказаны четыре истории о потусторонних явлениях, на первый взгляд не связанные друг с другом, а соль заключалась в том, что конец четвертой истории неожиданным образом оказывался связан с началом первой и таким образом закладывалась основа для бесконечного цикла[332].»

Когда коллеги возвратились в Колледж Св. Троицы, Голд вдруг спросил: «А вдруг Вселенная как раз такая?» Он имел в виду, что Вселенная, вероятно, вовлечена в вечный цикл без начала и конца. Идея была, конечно, интересная и многообещающая – с одной оговоркой: она на первый взгляд противоречила открытию космолога Жоржа Леметра и астронома Эдвина Хаббла, по чьим данным стало известно, что Вселенная расширяется. Казалось бы, космическое расширение указывает скорее на линейную эволюцию, которая начинается с горячего и плотного состояния (Большого взрыва) и четко задает направление оси времени. Хойл, Бонди и Голд прекрасно знали об открытии Хаббла и Леметра, поскольку уже много раз говорили между собой и о нем самом, и о его возможных следствиях. В интервью, данном в 1978 году, Голд вспоминал об этих оживленных дискуссиях:

«В итоге получилось, что в течение какого-то времени мы с Хойлом и дело очень подолгу засиживались в комнатах Бонди в колледже и постоянно – на этом настаивал Хойл – обсуждали, что же на самом деле означает открытие Хаббла. Вот галактики и все прочее, к примеру, разлетаются в стороны – не значит ли это, что потом станет ужасно пусто? А в прошлом все было очень плотное?[333]»

Все эти рассуждения привели к неожиданному результату: Хойл, Бонди и Голд начали серьезно задумываться над вопросом, можно ли каким-то образом увязать наблюдаемое расширение Вселенной с теорией стационарной Вселенной.

Однако прежде чем исследовать эту увлекательную тему, вернемся ненадолго в двадцатые годы. Открытие расширения Вселенной – не просто величайшее астрономическое открытие ХХ века: его роль в ляпсусах Хойла и Эйнштейна так велика, что было бы познавательно сделать краткое отступление, чтобы очертить историю этого прорыва. Эта история имеет прямое отношение к нашей главной теме еще и потому, что в 2011 году в хронологии тогдашних событий обнаружился крайне интересный поворот, наделавший большого шума среди астрономов и историков науки.

Расширение Вселенной. Сводка потерь (при переводе)

Когда космологи говорят, что наша Вселенная расширяется, они основывают свое утверждение в первую очередь на доказательствах, которые черпают из очевидного движения галактик. При этом часто приводят очень упрощенный пример, позволяющий наглядно представить себе, о чем речь.

Представьте себе двумерный мир, существующий исключительно на поверхности резинового мячика (илл. 25). То есть галактики в таком мире – просто приклеенные к поверхности маленькие плоские кружочки (вроде тех, которые получаются, когда прокалываешь бумагу дыроколом). Для обитателей подобного мира нет пространства ни вне шарика, ни внутри него: весь мир – это только поверхность. Обратите внимание, что центра у этого мира нет, поэтому все кружочки на поверхности находятся в равном положении (вспомним, что центр мячика лежит вне этого мира). Границ или пределов у этой Вселенной тоже нет. Если точка пустится в путь по сферической поверхности в том или ином направлении, ни до какого края она не дойдет. А что будет, если начать надувать мячик? Независимо от того, к какому кружочку на поверхности вы по воле случая принадлежите, вы увидите, что все остальные кружочки разлетаются от вас. Более того, чем дальше от вас кружочек, тем быстрее он будет удаляться: кружочек, который отстоит от вас на расстояние вдвое больше другого кружочка, будет двигаться вдвое быстрее (поскольку за то же время будет покрывать расстояние вдвое больше). Иначе говоря, скорость удаления будет пропорциональна расстоянию. Общая теория относительности Эйнштейна предполагает, что ткань пространства-времени в нашей Вселенной ведет себя именно так, и простой пример с мячиком можно вывернуть наизнанку. То есть из открытия, что все далекие галактики от нас удаляются, в сочетании с тем фактом, что скорость удаления пропорциональна расстоянию, следует, что пространство нашей Вселенной растягивается (к этому мы вернемся в главе 10). Обратите внимание, что расширение Вселенной нельзя сравнивать со взрывом гранаты. Взрыв гранаты происходит в пространстве, которое уже существовало, у него есть определенный центр (и границы). Во Вселенной движение к расширению возникает, поскольку растягивается сама ее ткань. И все галактики ничем не отличаются друг от друга: из любой точки вы увидите, как все остальные галактики разбегаются от вас во все стороны.

При упоминании расширения Вселенной первым обычно вспоминают астронома Эдвина Хаббла, в честь которого назван знаменитый космический телескоп. Всем известно, что Хаббл в сотрудничестве со своим ассистентом Милтоном Хьюмасоном рассчитал расстояния и скорость разбегания нескольких десятков галактик, а в статье 1929 года[334] сформулировал закон, носящий его имя: галактики разбегаются от нас со скоростями, пропорциональными расстоянию до них. Из «закона Хаббла» Хаббл и Хьюмасон вывели общий темп расширения Вселенной в нашу эпоху: на каждые 3,26 миллиона световых лет расстояния скорость разбегания галактик возрастает примерно на 500 километров в секунду. Учитывая, что данные наблюдений, которыми располагал Хаббл, были очень ограниченны, вывести из них расширение Вселенной было бы очень смелым и отчаянным шагом, если бы не некоторые теоретические идеи, поддерживающие эту гипотезу; многие из них были выдвинуты даже до наблюдений. Скажем, еще в 1922 году российский математик Александр Фридман[335] показал, что общая теория относительности допускает существование расширяющейся безграничной Вселенной, полной вещества. Хотя результаты Фридмана не привлекли особого внимания (не считая самого Эйнштейна, который впоследствии подтвердил, что логика Фридмана совершенно точна, однако отмахнулся от его выводов, поскольку полагал, что «им вряд ли удастся приписать физический смысл»), идея динамической Вселенной на протяжении 1920 годов постепенно набирала ход. Поэтому толкование наблюдений Хаббла с точки зрения расширяющейся Вселенной завоевало популярность очень быстро.

Иногда физики пренебрегают историей своего предмета. Еще бы, кому интересно, кто что открыл, если об этих открытиях и так все знают? Лишь тоталитарные режимы издавна были озабочены тем, чтобы доказать, что все хорошее зародилось на их территории. Есть старый анекдот о том, как почетного гостя СССР привели в научный музей в Москве. В первом же зале гость увидел огромный портрет какого-то русского, о котором он никогда не слышал. Спросил, кто это – и получил ответ: «Это изобретатель радио». Во втором зале – еще один огромный портрет совершенно незнакомого человека. «А это – изобретатель телефона», – объясняет экскурсовод. И так еще с десяток залов. А в последнем зале висит портретище, по сравнению с которым все предыдущие кажутся крохотными. «А это кто?» – удивляется посетитель. Экскурсовод с улыбкой отвечает: «А это – изобретатель всех этих изобретателей».

Однако в некоторых случаях открытия столь масштабны, что крайне познавательно разобраться, что же натолкнуло на подобные озарения – в том числе и понять, кому именно принадлежит честь открытия. Практически не приходится сомневаться, что открытие расширения Вселенной подпадает именно под эту категорию, хотя бы по той простой причине, что сам факт расширения предполагает, что у нашей Вселенной было определенное начало.

В 2011 году разгорелись страстные дебаты вокруг того, кого же на самом деле надо благодарить за открытие космического расширения[336]. В частности, в нескольких статьях даже высказывались подозрения, что с целью обеспечить первенство Эдвина Хаббла в 1920 годы, возможно, были пущены в ход недостойные механизмы цензуры.

Вот вкратце основные факты, играющие главную роль в этих дебатах.

К февралю 1922 года астроном Весто Слайфер измерил радиальные скорости[337] (скорости вдоль луча зрения, проходящего от источника до наблюдателя) 41 галактики. Артур Эддингтон[338] в своей книге, опубликованной в 1923 году, перечислил эти скорости и отметил: «Бросается в глаза огромный перевес положительных [удаляющихся] скоростей, однако недостаток наблюдений южных туманностей [за внешний вид галактики первоначально называли латинским словом nebulae – “туманность”, “облако”, “дымка”], к несчастью, не позволяет сделать окончательные выводы». В 1927 году бельгийский космолог и священник Жорж Леметр опубликовал знаменательную статью[339] (на французском языке), название которой в переводе звучит примерно так: «Гомогенная Вселенная постоянной массы и увеличивающегося радиуса объясняет радиальные скорости внегалактических туманностей». К сожалению, эта статья была напечатана в крайне малораспространенных «Трудах Брюссельского научного общества». В ней Леметр первым нашел динамические [соответствующие гипотезе расширения] решения уравнений общей теории относительности, а из этих решений вывел теоретическую основу закона, который стал известен как закон Хаббла: скорость удаления прямо пропорциональна расстоянию. Однако на теоретических выкладках Леметр не остановился.

Опираясь на величины скоростей, которые рассчитал Слайфер, и на приблизительные расстояния на основе измерений яркости, которые проделал Хаббл[340] в 1926 году, Леметр открыл «закон Хаббла» и определил темп расширения Вселенной. Численное значение этого темпа, которое теперь называют постоянной Хаббла, у Леметра получилось равным 625 (в общепринятых единицах – километр в секунду на каждые 3,26 световых года расстояния). Два года спустя Эдвин Хаббл получил для той же величины значение 500[341] (в наши дни доказано, что оба эти значения ошибочны – почти на порядок). Так вот, Хаббл опирался в точности на те же величины скоростей – по Слайферу – однако в своей статье даже не упомянул, кто их получил. Расстояния у Хаббла были более точные, отчасти за счет лучших индикаторов межзвездного расстояния. Леметр полностью отдавал себе отчет, что расстояния, на которые он опирается, лишь приблизительные. Он сделал вывод, что на тот момент точность оценок расстояний недостаточна, чтобы подтвердить или опровергнуть найденное им линейное соотношение.

Думаю, что большинство читателей, основываясь только на тех фактах, которые я только что изложил[342], согласятся, что было бы справедливо приписать открытие расширения Вселенной и гипотезу о законе Хаббла Леметру, а подтверждение и точную формулировку закона – Хабблу и Хьюмасону. Хаббл и Хьюмасон впоследствии проделали поистине тщательнейшие наблюдения и распространили оценки скорости, которые сделал Слайфер, на более длинные и гораздо точнее определенные расстояния. Однако тут-то в сюжете и возникает напряженный поворот.

Перевод статьи Леметра[343] 1927 года на английский был опубликован в «Monthly Notices of the Royal Astronomical Society» в Англии в марте 1931 года. Однако несколько абзацев из оригинального французского текста оказались в переводе опущены! В частности, отсутствует абзац, где описывался закон Хаббла и где Леметр на основании данных о 42 галактиках, для которых ему были известны (приблизительно) расстояния и скорости, вычисляет значение «постоянной Хаббла», равное 625. Нет и абзаца, где Леметр рассуждает о возможных погрешностях при оценке расстояний, и двух сносок, в одной из которых автор отмечает, что пропорциональность между скоростью и расстоянием, вероятно, следует из релятивистского расширения. В той же сноске Леметр также вычислил два вероятных значения постоянной Хаббла – 575 и 670, которые зависели от того, как сгруппировать данные.

Кто переводил статью? И почему из английского варианта были изъяты эти отрывки? Несколько детективов-любителей от истории науки в 2011 году предположили, что кто-то преднамеренно вычеркнул те фрагменты статьи Леметра, где говорилось о законе Хаббла и об определении постоянной Хаббла. Канадский астроном Сидни ван ден Берг[344] отметил, что целью подобной «выборочной редактуры» – кто бы ее ни сделал – было обеспечить бесспорный приоритет Эдвина Хаббла в этом вопросе. «Изъятие одного из членов уравнения наверняка было преднамеренным», – отмечал он. Южноафриканский математик Дэвид Блок[345] пошел даже дальше. Он предположил, что к этой фантастической «цензуре», вероятно, приложил руку сам Эдвин Хаббл, поскольку хотел, чтобы честь открытия расширения Вселенной принадлежала ему одному и Маунт-Вильсоновской обсерватории, где он делал свои наблюдения.

Как человек, более двух десятилетий работавший с данными космического телескопа имени Хаббла, я очень заинтересовался всей этой детективной историей – настолько, что даже решил расследовать, как же обстояли дела на самом деле. Начать я решил с изучения того, при каких обстоятельствах был выполнен перевод статьи Леметра.

Для этого я прежде всего получил в архиве копию письма[346], которое тогдашний редактор «Monthly Notices» астроном Уильям Маршалл Смарт написал Жоржу Леметру. В этом письме (илл. 26) Смарт спрашивает у Леметра разрешения перепечатать в «Monthly Notices» его статью 1927 года, поскольку Королевский астрономический совет считал, что значение этой статьи очень велико и нужно донести ее до более широкой аудитории. Приведу основную часть письма.

«Коротко говоря, если Научное общество Брюсселя [в трудах которого была опубликована оригинальная статья] тоже пойдет нам навстречу и даст разрешение на публикацию, мы бы предпочли выполнить перевод статьи на английский. Кроме того, если у вас будут какие-либо дополнения и пр. по теме, мы будем рады напечатать и их. Полагаю, что если появятся дополнения, следует сделать примечание, что §§ 1–n перепечатаны из брюссельской статьи, а остальное – новые материалы (или выразиться более изящно). От себя лично и от имени Общества надеюсь, что вы сможете это сделать[347].»

Поначалу я решил, что текст письма Смарта совершенно невинен – и ни на минуту не усомнился, что в нем нет ни малейшего намека на намерение произвести дополнительную редактуру или цензуру. Однако, хотя я был совершенно убежден в правильности такой трактовки письма Смарта и считал, что вчитывать туда конспирологический подтекст нет смысла, неразгаданными остались две главные загадки: кто переводил статью Леметра и кто ее сократил. В попытке дать определенный ответ на эти вопросы я решил изучить документы еще подробнее и тщательно просмотреть все протоколы Совета и всю сохранившуюся переписку 1931 года: все это хранится в Библиотеке Королевского астрономического общества в Лондоне. Я просмотрел несколько сотен различных документов, не имеющих отношения к делу, и уже решил сдаться, но тут обнаружил две «явные улики». Первая нашлась в протоколе заседания Совета[348] от 13 февраля 1931 года, где сказано: «По инициативе доктора Джексона аббату Леметру был отправлен запрос на разрешение опубликовать в “Monthly Notices” его статью “Un Univers Homogne de Masse Constante et de Rayon Croissant” либо перевод указанной статьи на английский». Не могу удержаться и приведу не относящуюся к делу, но забавную запись из того же протокола: «По инициативе сэра Артура Эддингтона обсудили вопрос о разрешении курения на заседаниях Совета. Принято решение, что курить дозволяется после половины четвертого пополудни». Вторая улика[349] – это ответ Леметра на письмо Смарта (илл. 27), датированный 9 марта 1931 года. Письмо гласит:

«Уважаемый доктор Смарт!

Признателен за оказанную мне и нашему обществу честь – публикацию моей статьи 1927 года Королевским астрономическим обществом. Посылаю вам перевод статьи. Мне кажется, неуместно повторно публиковать предварительные рассуждения о радиальных скоростях, поскольку они, очевидно, не представляют интереса в настоящий момент, а также геометрическую заметку, вместо которой можно поместить небольшую библиографию старых и новых статей по данному вопросу (выделено мной. – М. Л.). Прилагаю французский текст, где помечены опущенные при переводе отрывки. Я постарался перевести статью как можно точнее, однако буду очень рад, если кто-нибудь из ваших сотрудников окажет мне любезность, прочитает ее и поправит мой английский – боюсь, в нем очень много шероховатостей. Все формулы остались без изменений, и даже окончательный вывод, который более новые мои работы не подтверждают, не изменился. Я не стал переписывать таблицу, ее можно взять прямо из французского текста.

Что касается дополнений, я только что получил уравнения расширения Вселенной, полученные с помощью нового метода, и из них очевидно влияние сгущений и вероятные причины расширения. Буду очень рад представить их вашему обществу в виде отдельной статьи.

Мне бы очень хотелось вступить в ваше общество, и я был бы признателен, если бы меня представили и вам, и профессору Эддингтону.

Если у профессора Эддингтона еще остались репринты его майской статьи в «M.N.», я был бы очень рад ее получить.

Прошу вас, будьте так добры, передайте профессору Эддингтону мои наилучшие пожелания.»

Что ж, это перечеркивает все домыслы по поводу того, кто переводил статью и кто вычеркнул абзацы. Жорж Леметр сделал все сам!

Кроме того, письмо Леметра показывает с очень интересной стороны научную психологию ученых двадцатых годов, по крайней мере некоторых. Вопрос о приоритете самого Леметра совершенно не заботит. А если учесть, что результаты Хаббла уже были опубликованы в 1929 году, Леметр не видел смысла в повторной публикации в 1931 году своих предварительных рассуждений. Он предпочел двигаться дальше и опубликовать следующую статью под названием «Расширение Вселенной»[350]. Что же касается просьбы Леметра принять его в Королевское астрономическое общество, она также была впоследствии удовлетворена. Леметр был официально избран членом-корреспондентом общества 12 мая 1939 года.

Стационарная Вселенная

Вернемся к провокационному вопросу Голда: «А вдруг Вселенная как раз такая?», который относился к циклическому сюжету фильма «Глубокой ночью». Двум его коллегам такое предположение не показалось привлекательным, по крайней мере поначалу. Хойл тут же отбрил Голда: «Да мы еще до ужина разнесем эту гипотезу в пух и прах». Однако «прогноз» не оправдался. По словам Бонди, «Тем вечером мы засиделись за ужином дольше обычного, и довольно скоро все согласились, что такое решение очень и очень приемлемо»[351]. Правда, с этого момента Хойл стал подходить к проблеме с несколько иной стороны, чем его коллеги-ученые.

Точка зрения Голда и Бонди была основана на очень соблазнительной философской концепции. Если Вселенная и в самом деле развивается и меняется, рассуждали они, нет никаких причин, по которым мы должны считать, что законы природы всегда были одинаковыми. Ведь мы установили их, основываясь на опытах, которые проделывали здесь и сейчас. Кроме того, Бонди и Голд считали, что космологический принцип в его первоначальной формулировке ставил еще один вопрос. Он предполагал, что у наблюдателей, находящихся в разных галактиках по всей Вселенной, сложится одна и та же широкомасштабная картина космоса. Однако если Вселенная постоянно развивается во времени, значит, эти наблюдатели должны сравнивать свои наблюдения одновременно, а тогда нужно определить, что это значит – одновременно. Чтобы обойти все эти препятствия, Бонди и Голд предложили свой идеальный космологический принцип[352] – добавили к первоначальному условие, что в космосе нет никакого привилегированного времени: Вселенная выглядит одинаково из любой точки в любой момент.

Хотя Хойл решил идти совершенно другим путем, он считал, что интуитивный принцип Бонди и Голда вполне убедителен: кроме всего прочего, он позволяет решить и другую проблему, связанную с наблюдаемым расширением Вселенной. Темп расширения Вселенной, который определил Хаббл (как оказалось впоследствии, ошибочно), предполагал совершенно кошмарный сценарий, согласно которому Вселенная насчитывает всего 1,2 миллиарда лет – гораздо меньше, чем приблизительный возраст Земли! Так что, невзирая на колоссальный авторитет Хаббла («Целая жизнь, втиснутая в тридцатые и сороквые», по словам Бонди), Хойл, Бонди и Голд сочли, что нужно искать какое-то другое решение. Однако Хойл, в отличие от Бонди и Голда, применил скорее математический, чем философский подход[353]. В частности, Хойл развивал свою теорию на базе общей теории относительности Эйнштейна. Отталкивался он от факта, на который указывают наблюдения: да, Вселенная расширяется. Это тут же заставило задать следующий вопрос: если галактики все время разбегаются друг от друга, следует ли из этого, что пространство со временем пустеет? На это Хойл ответил категорическим «Нет». Напротив, он предположил, что по всему пространству постоянно создается новая материя, так что формируются новые галактики и скопления галактик – причем в таком темпе, что это компенсирует уменьшение плотности, вызванное расширением Вселенной. Таким образом, рассуждал Хойл, Вселенная сохраняет стабильность. Как-то раз он остроумно заметил: «Все так, как есть, поскольку все так, как было». Разница между стабильной Вселенной и Вселенной развивающейся (согласно теории Большого взрыва) схематически показана на илл. 28, где я снова прибег к аналогии с надувающейся сферой. В обоих случаях мы начинаем (вверху) с образца участка Вселенной, где галактики изображены маленькими кружочками. При эволюционном сценарии (слева) с течением времени галактики расходятся друг от друга (внизу слева), и общая плотность материи снижается. При стационарном сценарии создаются новые галактики, и средняя плотность остается прежней (внизу справа).

Илл. 28

Представление о том, что материя постоянно создается из ничего, на первый взгляд кажется диким. Однако, как не замедлил подчеркнуть Хойл, приверженцы космологии Большого взрыва тоже ведь не могли объяснить, откуда взялась материя. Единственная разница – в том, что по сценарию Большого взрыва вся материя создается одновременно в момент собственно взрыва, а по стационарной модели – образуется с постоянной скоростью в течение бесконечного времени, вот, например, прямо сейчас. Хойл отстаивал тут точку зрения, что концепция постоянного и непрерывного создания материи, будучи помещена в контекст конкретной теории, куда привлекательнее, чем идея создания Вселенной в отдаленном прошлом, поскольку такое представление предполагает, чтобы наблюдаемые явления возникли «по неизвестным науке причинам»[354]. Чтобы добиться стационарного состояния, Хойл добавил к уравнениям общей теории относительности Эйнштейна понятие «поля рождения», спонтанно создававшего вещество. Какое же вещество при этом возникало? Точно Хойл не знал, но предположил, что «Самый вероятный вариант – создание нейтронов. Последующий распад, пожалуй, обеспечил бы необходимый астрофизике водород. Более того, тогда была бы гарантирована электрическая нейтральность Вселенной»[355]. Темп, в котором должны были материализоваться из пустого пространства новые атомы, так невелик, что его невозможно наблюдать непосредственно. Как-то раз Хойл привел такое сравнение: «Примерно по одному атому раз в сто лет в объеме пространства, равном Эмпайр-Стейт-Билдинг».

Главным достоинством стационарного сценария было то, что эта теория была фальсифицируема, как и полагается любой хорошей научной теории. Вот как философ науки Карл Поппер описал свои представления о том, какой должна быть теоретическая система в естественных науках.

«…Мы не должны требовать возможности выделить некоторую научную систему раз и навсегда в положительном смысле, но обязаны потребовать, чтобы она имела такую логическую форму, которая позволяла бы посредством эмпирических проверок выделить ее в отрицательном смысле: эмпирическая система должна допускать опровержение путем опыта[356].

(Пер. В. Брюшинкина)»

Стационарная модель предсказывала, что галактики, находящиеся от нас в миллиардах световых лет, с точки зрения статистики должны выглядеть точно так же, как и близлежащие галактики, даже если мы видим далекие галактики такими, какими они были миллиарды лет назад, поскольку именно за такое время доходит до нас их свет. Вот как Бонди критиковал модель развивающейся Вселенной (Большой взрыв): «Если Вселенная когда-то была совсем иной, чем сейчас, покажите мне ископаемые свидетельства того, какой она была давным-давно». Иначе говоря, если бы, например, оказалось, что очень далекие галактики выглядят в среднем совсем иначе, чем галактики по соседству с Млечным Путем, можно было сказать, что наша Вселенная находится в нестационарном состоянии.

Эволюция

Когда Хойл и независимо от него Бонди и Голд опубликовали свои статьи о стационарной Вселенной, то заставили астрофизическое сообщество выбирать между двумя очень разными точками зрения. С одной стороны, существовала модель Большого взрыва, согласно которой у Вселенной было начало, когда она была очень плотной и горячей (Леметр назвал это «первичным атомом»). В то время ярым сторонником этого сценария, кроме Леметра, был и Георгий Гамов. Как мы видели в предыдущей главе, Гамов даже думал, пусть и ошибочно, что при этом первоначальном космическом взрыве были созданы все химические элементы.

Альтернативой Большому взрыву была теория стационарной Вселенной с бесконечным прошлым и неизменными космическими декорациями (невзирая на расширение). Однако телескопам конца сороковых годов недоставало мощности, и с их помощью невозможно было пронаблюдать эволюционные тенденции, которые предполагала модель Большого взрыва. Когда Хойл в августе 1948 года наконец познакомился с Эдвином Хабблом, то был рад услышать от него, что уже проходят последние испытания самого большого на тот момент телескопа в мире – двухсотдюймового телескопа на горе Паломар в Калифорнии. Хаббл рассчитывал сразу после этого начать наблюдать отдаленные галактики. Однако, к сожалению, даже большое зеркало паломарского телескопа не могло собрать достаточно света от очень далеких ничем не примечательных галактик, поэтому сделать однозначный выбор в пользу одной из соперничающих теорий не удалось.

В октябре 1948 года Хойл, Бонди и Голд присутствовали на небольшой конференции Королевского астрономического общества в Эдинбурге. Всех троих пригласили поделиться соображениями о теории стационарной Вселенной. Хойл воспользовался случаем и впервые провел связь между неизменным самодостаточным космосом и жизнью.

«Современная астрофизика, по всей видимости, неумолимо отталкивает нас от Вселенной, где пространство и время имеют границы, где в будущем нас не ждет ничего, кроме общего упадка или тепловой смерти, в сторону Вселенной, где и пространство, и время бесконечны. Очень может быть, что возможности физической эволюции – и даже эволюции жизни – тоже не знают границ. Именно эти вопросы и стоят сегодня перед астрономами. Мы надеемся, что достаточно определенные ответы на эти вопросы удастся найти уже при жизни этого поколения[357].»

Парадоксально, но факт: хотя впоследствии Хойл критиковал идею естественного отбора и стоял за панспермию – жизнь как космический феномен, – корни такого мировоззрения восходят к Дарвину. Вспомним, что Дарвину очень не нравилось, как Кельвин оценивал возраст Земли, поскольку он опасался, что такие границы не оставляют времени для эволюции. В этом высказывании Хойл указывает на преимущества теории стационарной Вселенной – если Вселенная была всегда и всегда будет, значит, жизнь располагает бесконечным временем на зарождение и эволюцию. К этому вопросу мы еще вернемся, когда будем обсуждать возможные причины ляпсуса Хойла.

Астроном Уильям Грейвс, президент Королевского астрономического общества, открыл дискуссию после докладов Хойла, Бонди и Голда несколько ироничным замечанием: «Космология – это всего лишь один из разделов астрономии, далеко не единственный, вопреки мнению самих космологов, хотя, конечно, главный, с этим никто не спорит»[358]. Так вышло, что среди слушателей был выдающийся физик Макс Борн. Когда его спросили, что он думает о модели стационарной Вселенной, он ответил:

«Стойкость и упорство космологов в целом вызывают у меня почтительное восхищение. После первых открытий в ядерной физике физики регулярно открывают новые частицы, вот и в космологии мы будем и дальше находить новые теории структуры и эволюции мироздания. Я искренне рад, что мне довелось услышать эти доклады, однако к их сути я отношусь скептически[359].»

Первые тревожные симптомы у теории стационарной Вселенной обнаружили не оптические, а радиотелескопы. Для радиоволн Вселенная, в сущности, прозрачна, поэтому антенны радиотелескопов могут улавливать сигналы от далеких галактик, даже если обнаружить их оптически очень трудно, лишь бы они были «активны» в радиодиапазоне. В 1950 годы английские и австралийские ученые нашли достойное применение опыту, накопленному во время Второй мировой войны, и разработали масштабную программу радиоастрономических исследований. Одним из первопроходцев в этой области был физик из лаборатории Кавендиша в Лондоне Мартин Райл.

В отличие от Хойла, Райл происходил из высших слоев общества – его отец был личным врачом короля Георга VI – и получил самое лучшее частное образование, доступное в те годы. В конце сороковых Райл участвовал в первых радиоастрономических исследованиях Солнца, а затем вместе с коллегами стал инициатором честолюбивого начинания: искал радиоисточники вне Солнечной системы. Райл и его группа радикально усовершенствовали методы наблюдения и получили возможность отсеивать фоновое излучение на Млечном Пути, после чего обнаружили несколько десятков «радиозвезд», более или менее равномерно распределенных по всему небу. К сожалению, соответствий в оптическом диапазоне у большинства источников не оказалось, поэтому точно определить расстояние до них было невозможно. Райл придерживался того мнения, что это были особые звезды в нашей собственной галактике, и был готов яростно отстаивать свою точку зрения на небольшой конференции энтузиастов радиоастрономии.

В марте 1951 года в Университетском колледже в Лондоне состоялась так называемая Мэссиевская конференция (названная в честь физика-ядерщика Гарри Мэсси, который ее организовал). Там присутствовали и Хойл, и Голд, и своего скептицизма они не скрывали. В какой-то момент Голд поднялся и раскритиковал выводы Райла. Он делал упор на то, что поскольку отдельные радиоисточники расположены равномерно по всем направлениям, а не сосредоточены в плоскости Млечного Пути, они находятся вне нашей галактики, и расстояния до них гораздо больше. Единственная альтернатива, указывал Голд, состоит в том, что источники на самом деле находятся настолько близко, что все они располагаются внутри диска галактики (на расстояниях меньше ста световых лет). Гипотеза Райла, согласно которой эти источники были рассеяны по всему Млечному Пути, была, по мнению Голда, совершенно необоснованной. Хойл полностью поддержал Голда и тем самым спровоцировал Райла на едкую ремарку: «Думаю, теоретики неверно истолковали экспериментальные данные». На это Хойл указал, что примерно из полудюжины источников, для которых нашлись оптические соответствия, пять находились в других галактиках. Много лет спустя он отмечал, что слово «теоретики» Райл произнес так, будто оно относилось к «низшему, отвратительному биологическому виду»[360].

Это было лишь одно из множества крупных столкновений между Райлом и сторонниками теории стационарной Вселенной – и у обоих, и у Райла, и у Хойла, остался после него горький осадок на многие годы. В упомянутом случае верх одержали Голд и Хойл. Примерно через год после Мэссиевской конференции астроном Вальтер Бааде определил, что расстояние до радиоисточника в созвездии Лебедя составляет сотни миллионов световых лет, что подтвердило подозрения Хойла. Однако, по иронии судьбы, именно большое расстояние до радиоисточников и стало впоследствии краеугольным камнем для аргументации, которую Райл выдвинул в защиту развивающейся Вселенной, и к развенчанию гипотезы стационарной Вселенной. Кстати, в США теория стационарной Вселенной никогда не была особенно популярной, однако в 1952 году после лекции члена Королевского астрономического общества сэра Гарольда Спенсера Джонса она даже стала причиной громких заголовков в газетах. Два из них – из «The New York Times»[361] («Новая теория Вселенной вызвала интерес») и из «Christian Science Monitor» («Член Королевского астрономического общества подтвердил, что творение продолжается») – приведены на илл. 29.

Кампания против теории стационарной Вселенной поставила Райла в неловкое положение и еще в одном случае, хотя все началось, казалось бы, с победы. Модели Большого взрыва и стационарной Вселенной предполагали совершенно разное строение Вселенной вдалеке от нас. Когда мы наблюдаем галактики, до которых от нас два миллиарда световых лет, то по определению видим их такими, какими они были два миллиарда лет назад. Если Вселенная непрерывно развивается (модель Большого взрыва), следовательно, мы наблюдаем именно этот уголок Вселенной в более нежном возрасте, а значит, в ином состоянии. Согласно же модели стационарной Вселенной Вселенная всегда пребывала в одинаковом состоянии. Следовательно, можно рассчитывать, что отдаленное прошлое Вселенной выглядело в точности так же, как и наше нынешнее космическое окружение. Райл воспользовался случаем, который предоставил ему этот прогноз – ведь его можно было проверить на опыте – и начал собирать обширную коллекцию радиоисточников и считать, сколько из них приходится на разные интервалы интенсивности. Поскольку у Райла не было никакой возможности узнать точное расстояние до большинства из этих источников (они находились вне чувствительности оптических телескопов), Райл сделал простейшее предположение: более слабые из наблюдаемых радиоисточников в среднем находятся дальше, чем те, сигналы от которых сильнее. Он обнаружил, что слабых источников гораздо больше, чем сильных. Иными словами, похоже, что плотность источников, которые находятся на расстояниях в миллиарды световых лет (и тем самым отражают состояние Вселенной миллиарды лет назад) гораздо больше, чем нынешняя плотность радиоисточников неподалеку от нас. Это, конечно, никак не соответствует модели неизменной Вселенной и при этом вполне согласуется с идеей космоса, который эволюционирует с момента Большого взрыва, если только предположить (совершенно справедливо, как мы теперь знаем), что галактики склонны излучать интенсивные радиосигналы скорее в юности, чем в своем нынешнем, более старом состоянии.

Свои результаты Райл представил 6 мая 1955 года, когда выступал с престижной галлеевской лекцией, названной в честь знаменитого астронома XVII века. Имени Хойла он даже не упомянул, а авторами концепции стационарной Вселенной назвал лишь о «Бонди и прочих». Вердикт Райла был недвусмыслен: «Если мы примем заключение, что большинство радиозвезд лежит вне нашей галактики – а не принять его, похоже, затруднительно – объяснить данные наблюдений в терминах стационарной Вселенной окажется невозможно».

Неделю спустя, на конференции Королевского астрономического общества, которая состоялась 13 мая, Райл совместно со своим студентом Джоном Шейкшафтом[362] возобновил натиск и с радостью заявил: «Приходится сделать вывод, что отдаленные области Вселенной отличаются от расположенных по соседству с нами, и этот результат не согласуется с космологическими теориями стационарной Вселенной, зато вполне может быть объяснен в терминах эволюционирующей Вселенной».

Столкнувшись со столь серьезными нападками, Голд и Бонди, присутствовавшие на конференции Королевского астрономического общества, были вынуждены защищаться. Голд счел нужным в первую очередь хитроумно намекнуть слушателям, что Райлу прежде случалось ошибаться. Он подчеркнул, что «рад, что все наконец согласны, что многие такие источники лежат вне галактики»[363], как, в сущности, предположил и он сам четыре года назад, когда «Мистер Райл… счел, что подобное предположение может быть основано на неверном понимании данных наблюдений». Затем он отметил, что на основании представленной информации «весьма поспешно было бы считать, что подавляющее большинство слабых источников сильно удалены». Он предостерег, что если источники не одинаковы а, напротив, интенсивность излучаемого радиосигнала может сильно отличаться от источника к источнику, то подсчеты Райла могут оказаться бессистемной мешаниной из близких и дальних источников. Бонди тоже отнесся скептически[364] к интерпретации результатов, предложенной Райлом. С его точки зрения погрешность подсчетов не позволяла делать окончательные выводы. И, чтобы подвести черту, Бонди напомнил слушателям, что все прежние попытки определить геометрию Вселенной на основании подсчета галактик приводили к совершенно иным результатам.

Нечего и говорить, что сам Хойл не согласился с результатами Райла. Однако он не стал ввязываться в длительные споры и решил подождать, когда появятся более точные данные наблюдений и можно будет развенчать выводы Райла на их основании. К удивлению многих астрономов, данные, противоречащие результатам Райла, и в самом деле появились. В 1957 году австралийские радиоастрономы показали, что в прежние подсчеты Райла вкралась серьезная ошибка: карта радиосигналов, которую он составил, была до того размыта, что зачастую за один радиоисточник принимали совокупный сигнал двух или трех источников. Заключение австралийских ученых было однозначным: «Выводы космологического характера, сделанные из этого анализа, лишены оснований».

Хойл даже злорадствовать не стал. В 1957 году вышла в свет прославленная статья B²FH, и Хойл с головой погрузился в изучение синтеза элементов, а космологию стационарной Вселенной оставил в стороне. Однако от него не ускользнуло, что создание большинства ядер в недрах звезд (а не в результате Большого взрыва) можно считать по крайней мере косвенным подтверждением гипотезы стационарной Вселенной, по крайней мере косвенным. В том же году Хойл был избран действительным членом Королевского общества – честь, благодаря которой он обрел академический статус, равный статусу Райла. Но Райл не сдавался. Его рабочая группа продолжала улучшать и совершенствовать и инструментальную базу, и методы обработки и анализа данных. В результате их стараний был выпущен «Третий кембриджский каталог радиоисточников» (в научном мире он называется «Каталог ЗС»). К началу шестидесятых годов группа Райла даже получила в распоряжение даже совершенно новую радиообсерваторию, созданную в 1961 году на средства компании-производителя электроники «Муллард».

Интеллектуальные стычки между Райлом и Хойлом продолжались, и их кульминацией стал один особенно неприятный инцидент. Хойл впоследствии описал этот оскорбительный для него случай в автобиографической книге «Дом там, куда ветер дует» («Home Is Where the Wind Blows»). Все началось с невинного на первый взгляд телефонного звонка из компании «Муллард» в начале 1961 года. Звонивший пригласил Хойла с супругой на пресс-конференцию, где Райл должен был представить новые результаты, весьма интересные для Хойла. Когда супруги приехали в головную контору компании «Муллард», жену Хойла Барбару пригласили сесть на почетное место в первом ряду, а место Хойла оказалось на сцене, лицом к журналистам. Хойл не сомневался, что сообщение будет связано с подсчетом радиоисточников по интенсивности, однако даже подумать не мог, что его пригласят услышать результаты, настолько противоречащие теории стационарной Вселенной. Вот как он сам об этом пишет:

«Как я мог подумать, что новые результаты, о которых вот-вот сообщит Райл, противоречат моей точке зрения? Не может же он оказаться таким коварным: если бы они и правда противоречили, меня не стали бы подвергать подобному унижению. Наверняка Райл сейчас скажет, что его результаты подтверждают теорию стационарной Вселенной, а вслед за этим благородно извинится за то, что прежние его результаты оказались неверными. Поэтому я стал придумывать не менее благородный ответ[365].»

К сожалению, случилось именно то, что Хойл считал немыслимым. Выйдя на сцену, Райл не ограничился кратким сообщением, как говорилось в приглашении, а пустился в высокоученые, нашпигованные терминами рассуждения о результатах своего четвертого, более масштабного исследования. А в заключение уверенно заявил, что теперь результаты недвусмысленно показывают, что в прошлом плотность радиоисточников была больше, а следовательно, теория стационарной Вселенной неверна. Потрясенного Хойла просто попросили прокомментировать результаты. Не веря своим глазам и ушам, он униженно выдавил несколько фраз и поспешно ушел. В следующие несколько дней пресса подняла по этому поводу большой шум, который вызвал у Хойла такое отвращение, что он неделю не подходил к телефону и даже не пришел на следующую конференцию Королевского астрономического общества 10 февраля. Даже Райлу стало ясно, что пресс-конференция вышла за рамки допустимого в цивилизованном обществе. Он позвонил Хойлу с извинениями и добавил, что когда соглашался выступить на пресс-конференции «Муллард», то «представления не имел, чем это обернется».

Однако несмотря на подобные катастрофы в области этикета, с чисто научной точки зрения доводы Райла становились все убедительнее и убедительнее, и к середине шестидесятых годов подавляющее большинство астрономического сообщества согласилось, что сторонники теории стационарной Вселенной проиграли битву (на илл. 30 слева направо – Хойл, Бонди и Голд на конференции в середине шестидесятых). Последним доводом против теории стационарной Вселенной стало открытие исключительно активных галактик[366], в которых аккреция вещества на сверхмассивную черную дыру в центре галактики высвобождает достаточно излучения, чтобы подсветить всю галактику. Такие объекты, получившие название квазаров, светятся настолько ярко, что видны даже в оптические телескопы. Данные наблюдений позволили астрономам при помощи закона Хаббла определить расстояние до этих источников и убедительно показать, что квазары в прошлом и в самом деле были распространены больше, чем сейчас. Вывод был неизбежен: Вселенная эволюционирует и в прошлом была плотнее. Тут доводы против модели стационарной Вселенной стали расти как снежный ком. В частности, в 1964 году ученые Арно Пензиас и Роберт Уилсон сделали открытие, которое поставило на ней окончательный крест, и признать этого не могли только самые твердолобые приверженцы теории стационарной Вселенной.

Пензиас и Уилсон работали в лабораториях телефонной компании Белла в Нью-Джерси, где для спутников связи была построена антенна. К вящей досаде Пензиаса и Уилсона, они постоянно ловили какой-то фоновый радиошум, микроволновое излучение, судя по всему, одинаково идущее со всех сторон. Сначала исследователи хотели списать это неприятное «шипение» на приборный эффект, но затем объявили, что обнаружили в межгалактическом пространстве повышение температуры примерно до трех градусов по Кельвину (на три градуса выше абсолютного нуля). Поскольку у Пензиаса и Уилсона недоставало специального образования и опыта, они не сразу поняли, что открыли. Однако Роберт Дикке из Принстонского университета мгновенно сообразил, о чем идет речь. Дикке конструировал радиометр, при помощи которого хотел зарегистрировать реликтовое излучение, оставшееся после Большого взрыва: существование подобного излучения уже предсказали Альфер, Германн и Гамов. Впоследствии верное толкование, которое Дикке дал результатам Пензиаса и Уилсона, буквально преобразило теорию Большого взрыва, превратило ее из гипотезы в физическую реальность, подтвержденную экспериментально. По мере расширения Вселенной невероятно горячий, плотный и непрозрачный огненный шар, постепенно остывая, достиг наконец нынешней температуры, составляющей приблизительно 2,7 кельвина.

С тех пор наблюдения космического микроволнового излучения привели к появлению самых точных измерений в космологии. Теперь мы знаем температуру этого излучения до третьего знака после запятой, а это очень важно: она составляет 2,725 кельвина. А его интенсивность зависит от длины волны в точности так, как и должно быть у теплового излучения, что подтверждает прогнозы теории Большого взрыва. Но Хойл был непоколебим даже перед лицом подобных несокрушимых аргументов против теории стационарной Вселенной. Он заявил, что космическое микроволновое излучение – это не реликт Большого взрыва, оно исходит от неких внегалактических железных «усов», которые поглощают и рассеивают инфракрасный свет галактик на микроволновых длинах волн. Предполагалось, что эти железные усы конденсируются из металлических испарений, в частности, из вещества, выброшенного в межзвездное пространство во время взрывов сверхновых звезд.

Несмотря на доблестное сопротивление Хойла, к концу шестидесятых годов большинство ученых окончательно разуверились в теории стационарной Вселенной. Неустанные старания Хойла показать, что все противоречия между теорией и постоянно поступающими данными наблюдений можно как-то объяснить, выглядели все надуманнее и неубедительнее. Хуже того, Хойл, похоже, утратил способность трезво рассуждать, которой когда-то так похвалялся и которая, как предполагалось, отличала его от «чудака». На конференции «Современная космология в ретроспективе» в итальянском городе Болонья в 1988 году он выступил с докладом под названием «Критическая оценка аргументации против теории стационарной Вселенной». Доклад был чистейшим анахронизмом, однако Хойл попытался (должен добавить, безуспешно) убедить слушателей, будто все убедительные свидетельства в пользу Большого взрыва[367] – наличие реликтового излучения, необходимость первоначального синтеза легких элементов (дейтерий, гелий и литий), количество радиоисточников – можно объяснить теорией стационарной Вселенной. Упорное нежелание изменить точку зрения резко контрастировало, в частности, с позицией другого родоначальника теории стационарной Вселенной – Германа Бонди. Вспомним, что Бонди настаивал, чтобы ему показали «ископаемые свидетельства» того, как выглядела Вселенная в прошлом, если уж она и вправду развивается. На той же конференции в Болонье Бонди тоже прочитал доклад, где признал, что подобные ископаемые свидетельства и вправду нашлись – это и изобилие в космосе гелия, который, скорее всего, синтезировался во время Большого взрыва, и реликтовое излучение, которое в точности совпадает со всеми прогнозами теории Большого взрыва. Поэтому Бонди великодушно заключил: «Таким образом, мое давнее требование показать мне подобные ископаемые свидетельства наконец-то удовлетворено».

А вот Хойл упорно продолжал отстаивать несколько усовершенствованную модель стационарной Вселенной (он назвал ее «квазистационарной моделью») – любой ценой, любыми средствами. Уже в 2000 году, в восемьдесят пять лет, Хойл написал книгу[368] под названием «Иной подход к космологии» (Fred Hoyle, Jayant Narlikar, Geoff Burbidge A Different Approach to Cosmology), где вместе с соавторами Джайантом Нарликаром и Джеффом Бербиджем разъяснял квазистационарную модель во всех подробностях и объяснял, почему они не согласны с теорией Большого взрыва. В знак презрения к научному истеблишменту они поместили на страницах книги фотографию стада гусей, бредущего по грязи, с подписью: «Так нам видится конформистский подход к стандартной космологии (не имеющей отношения к Большому взрыву). Мы устояли перед соблазном назвать некоторых ведущих гусей по фамилии». Однако к этому времени Хойл уже так давно перестал быть авторитетом в космологии, что почти никто не стал даже тратить время на то, чтобы указать ему на недостатки квазистационарной модели. Лучше всех, пожалуй, об этой книге высказался рецензент «The Sunday Telegraph», причем это высказывание относится не столько к содержанию книги, сколько к неугомонному характеру Хойла: «Хойл систематически рассматривает доводы теории Большого взрыва и думает, что не оставил от них камня на камне… Да, когда человек так предан делу разрушения, это вызывает пиетет… Остается надеяться, что когда я, подобно Хойлу, достигну восьмидесятипятилетнего рубежа, то буду обладать хотя бы одной тысячной его боевого задора».

Отрицание и отступничество

Природа ляпсуса Хойла несколько иная, чем ляпсусов Дарвина, Кельвина и Полинга, по двум причинам. Во-первых, важно учесть масштаб темы, в рамках которой был совершен ляпсус. Ляпсус Дарвина относился лишь к одной составляющей его теории (пусть и очень значимой составляющей). Ляпсус Кельвина относился к допущению, лежащему в основе расчетов конкретной величины (правда, очень важной). Ляпсус Полинга затронул лишь одну его модель (к несчастью, это была модель самой главной молекулы). А ляпсус Хойла был связан с целой теорией мироздания, с устройством Вселенной как таковой. Во-вторых и в-главных, в отличие от Дарвина, который не понимал, каковы последствия неверного понимания биологических механизмов, от Кельвина, который пренебрегал непредвиденными физическими процессами, и от Полинга, который нарушил основные законы химии, Хойл, конструируя свою модель стационарной Вселенной, нигде не ошибался. Сама по себе его теория была смелой, необычайно остроумной и соответствовала данным наблюдений на то время. Ляпсус Хойла состоял в том, что он с досадным, чуть ли не тупым упорством отказывался признать, что теория мертва, даже после того, как ее разбомбили накопившиеся контраргументы, и в том, что он применял неодинаковые критерии к теории Большого взрыва и своей модели квазистационарной Вселенной. В чем же корни такого негибкого, поистине страусиного поведения? Чтобы попытаться найти ответ на этот интересный вопрос, я первым делом расспросил нескольких бывших учеников и младших коллег Хойла.

Космолог Джайант Нарликар был у Хойла аспирантом и продолжал сотрудничать с ним до самой его смерти. Среди всего прочего, они совместно разработали теорию гравитации, известную как теория Хойла-Нарликара, которая вписывается в их квазистационарную модель. Нарликар предположил, что то, что Хойлу так не нравилась теория Большого взрыва, было связано, по крайней мере сначала, с тем, что он никак не мог примириться с некоторыми физическими условиями Большого взрыва. Например, Нарликар вспоминал, как Хойл говорил, что все другие наблюдаемые фоновые излучения (оптическое, рентгеновское, инфракрасное) так или иначе связаны с астрофизическими объектами (звездами, активными галактиками и пр.), и он не видел причин, почему космическое микроволновое излучение должно чем-то отличаться и восходить к какому-то конкретному событию (Большому взрыву). Подобным же образом около 1956 года он подумал, что так или иначе вырабатывать энергию, необходимую для космического микроволнового излучения, могли бы звезды: надо только понять, как в них синтезируется весь гелий. Если же говорить об эмоциональной стороне дела, то Нарликар считал, что Хойл возражал против идеи сотворения Вселенной в один конкретный момент еще и потому, что не был религиозен[369].

Астрофизики Питер Эгглтон и Джон Фолкнер в начале шестидесятых были еще студентами и работали в исследовательской группе Хойла (на илл. 22 Фолкнер самый правый в первом ряду), однако я несколько удивился, когда оказалось, что к Хойлу они относятся совершенно по-разному. Эгглтон помнит Хойла как человека, который знал все, что стоило знать в астрофизике на тот момент, и к тому же был знаком со всеми, кто хоть чего-то стоил в мире астрофизики. Он отмечал[370], что к Хойлу вполне можно было применить знаменитую характеристику викторианца Бенджамина Джоветта[371]: «Если он чего-то не знает, значит, этого и не стоит знать». Что касается отношения Хойла к науке, то у Эгглтона сложилось впечатление, что если научное сообщество было в чем-то убеждено, то Хойл убеждал себя в противоположном и смотрел, что из этого получится. Когда я спросил у Эгглтона, почему, как он считает, Хойл настолько сопротивлялся идее Большого взрыва, Эгглтон высказал мнение, что в корне этого сопротивление лежит то, что Хойлу не нравилась и идея о зарождении жизни на Земле в результате естественной химической эволюции. Эгглтон сказал, что по мнению Хойла на зарождение жизни должно было уйти гораздо больше времени, чем позволял возраст Вселенной, определяемый согласно теории Большого взрыва. Это очень интересный момент, и скоро мы к нему вернемся.

Фолкнер признался[372], что его и самого ставило в тупик несокрушимое сопротивление идее Большого взрыва у его научного руководителя. По его мнению, Хойл «несколько перегибал палку, слепо любил свое детище [теорию стационарной Вселенной] и не желал от него отказываться». Кроме того, Фолкнер отметил и другое занятное обстоятельство: к концу шестидесятых Хойл окончательно утратил интерес к так называемой «нормативной науке» и ступил на тропу ученого-одиночки.

И на посту плюмианского профессора, и на должности директора Института астрономии Кембриджского университета Хойла сменил лорд Мартин Рис[373], королевский астроном. Он тепло вспоминает Хойла, говорит, что тот всегда готов был помочь и поддержать, несмотря на то что некоторые собственные работы Риса о космическом микроволновом излучении и квазарах поспособствовали краху теории стационарной Вселенной. Рис и по сей день ценит Хойла необычайно высоко: фотография Хойла висит на стене кабинета Риса в Институте астрономии. Рис предложил два вероятных объяснения отступничества Хойла, оба очень соблазнительные. Во-первых, он подчеркивал, как вредна бывает изоляция в науке. И пояснил, что с середины шестидесятых Хойл говорил о науке почти исключительно со своими ближайшими сотрудниками и сторонниками – крошечной группкой, куда входили Джайант Нарликар, Чандра Викрамасингх и чета Бербиджей. Поскольку эти ученые практически всегда были согласны с Хойлом, очевидно, такое положение дел едва ли способствовало пересмотру взглядов. К моему удивлению, лорд Рис сообщил мне, что Хойл всегда был очень великодушен и щедр на похвалу, однако почти никогда не обсуждал с ним научные вопросы. Более того, он даже не спорил о новых научных открытиях с более молодыми космологами, не входящими в его кружок.

Рис сделал и еще одно интересное наблюдение, заставляющее вспомнить слова Фолкнера. Он отметил, что под конец профессиональной жизни многие ученые теряют интерес к рутинной работе и постепенным достижениям, которые, как правило, сопутствуют длительным научным изысканиям, и обращаются к совершенно новым областям науки, иногда даже вне своей области знаний. Рис приводил в пример и Лайнуса Полинга, который на закате карьеры маниакально проповедовал целительные свойства витамина С. Он считал, что к этой категории можно отнести и Хойла с его безуспешными попытками разобраться в вопросе происхождения жизни на Земле.

Несомненно, свой вклад в упрямство Хойла внесли и те факторы, о которых говорили Рис, Эгглтон и Фолкнер. Лучшим свидетельством тому могут служить и некоторые утверждения самого Хойла. В автобиографической книге «Дом там, куда ветер дует» есть и такой поразительный абзац:

«Проблема научного истеблишмента восходит к первобытным временам, когда люди объединялись для охоты в небольшие отряды. Наверняка для успеха охоты нужно было, чтобы в ней участвовал весь отряд. Никто не знал, куда побежит добыча, точно так же как никто поначалу не знает, в каком направлении лежит верная теория в науке, поэтому отряд должен был принять решение, куда идти, а после все должны были подчиняться этому решению, даже если оно принято наобум. Отступника, который утверждал, что надо идти в прямо противоположную сторону, приходилось исключить из отряда, точно так же как в наши дни ученый, который придерживается точки зрения, отличающейся от консенсуса, сталкивается с тем, что его статьи не печатают в журналах, а государственные агентства единодушно отвергают его заявки на научные гранты. Наверное, жизнь в доисторические времена была очень сурова, ведь чем дальше заходил отряд в выбранном направлении, не встречая добычи, тем упорнее ему надо было продолжать идти: если бы он остановился и пустился в обсуждения, возникла бы неопределенность, риск того, что вольнодумцы решат покинуть отряд и группа распадется, а это настоящая катастрофа. Вот почему главное для ученых – не чтобы кто-то оказался прав, а чтобы все думали одинаково. Такая подчас инстинктивная, первобытная мотивация и создает научный истеблишмент[374].»

Едва ли можно представить себе более сильные доводы в пользу отхода от традиционной науки. Здесь Хойл эхом повторяет слова знаменитого врача Галена, жившего во II веке: «С ранней юности я презирал мнение большинства и стремился к истине и знанию, полагая, что нет для человека ничего божественнее и благороднее»[375]. Однако, как указал лорд Рис, изоляция дорого обходится. Наука прогрессирует не по прямой линии из точки А в точку В: она движется зигзагами, которые формирует критическая переоценка и совместный поиск ошибок и недостатков. А постоянную переоценку формирует именно научный истеблишмент, который Хойл так презирал, и именно эта переоценка формулирует систему критериев, помогает найти равновесие и не дает ученым зайти слишком далеко в неверном направлении. Хойл добровольно отправился в академическое изгнание и сам лишил себя этих корректирующих влияний.

Категорический отказ признать неверность теории стационарной Вселенной подпитывали у Хойла и его оригинальные, мягко говоря, соображения о происхождении жизни. Вот как о них говорил сам Хойл.

«По-моему, приемлемая философская точка зрения на эволюцию под углом космологии предполагает рассмотрение вопросов, стоящих над астрономией, и именно к этому быстро приходит всякий, кто пытается понять происхождение биологического порядка. Столкнувшись с проблемами сверхастрономического порядка сложности, биологи находят прибежище в волшебных сказках. Это ясно видно и по тому, как они исследуют порядок аминокислот в любом из сотен энзимов [по оценкам Хойла, вероятность случайного формирования 2000 энзимов из аминокислот составляла примерно один шанс на 10^40,000] … Чтобы у нас была хоть какая-то надежда решить задачу биологического происхождения жизни рациональным образом, нужна Вселенная, живописное полотно которой не имеет границ (выделено мной. – М. Л.), Вселенная, где энтропия на единицу массы [мера беспорядка] не возрастает неумолимо, как происходит в космологиях Большого взрыва. Она должна предоставить именно такое бесконечное полотно, какое предполагает теория стационарной Вселенной, по крайней мере, я так думаю.»

Иными словами, Хойл полагал, что эволюционирующая Вселенная и связанный с ее эволюцией рост беспорядка не обеспечивает необходимых условий для явлений такого высокого порядка, как биология. Кроме того, он считал, что возраст Вселенной согласно постоянной Хаббла недостаточен для того, чтобы успели сформироваться сложные молекулы. Должен отметить, что биологи-эволюционисты, придерживающиеся общепринятых научных взглядов, решительно отвергают этот довод. В сущности, Хойл пытался оживить «метафору часовщика», которая характерна для всех сторонников разумного творения, а для этого сравнил случайное зарождение живой клетки с вероятностью того, что «смерч, пронесшийся над автомобильной свалкой, соберет из нашедшихся там деталей «Боинг-747»». Биолог Ричард Докинз[376] ] назвал эту линию доказательств «Ошибкой Хойла» и подчеркивал, что биология не требует, чтобы сложные органические структуры создавались одномоментно. Организмы, способные к самовоспроизведению, могут наращивать сложность путем последовательных изменений, в то время как неодушевленные предметы не могут передавать модификации наследственным путем.

Чтобы двинуться несколько дальше частичных объяснений ляпсуса Хойла, особенно когда речь идет о том, что он упорно отрицал свои ошибки, нам нужно разобраться, что же такое отрицание как психологическая концепция. Отрицание обычно не вызывает сочувствия, особенно в научных кругах[377]. Понятно, что ученые считают, что отрицание противоречит духу науки, ведь устаревшие теории должны уступать место новым, когда того требуют результаты экспериментов. Однако исследования ведут простые смертные, такие же люди, как мы с вами, а еще сам Фрейд постулировал, что отрицание – это защитный механизм, который люди выработали, чтобы уберечь себя от травм или от событий внешней реальности, которые угрожают цельности их личности. Например, все мы знаем, что отрицание – первая стадия переживания горя (всего их различают пять). Не так широко, вероятно, известен тот факт, что переживание своей крупной ошибки – это тоже психологическая травма. Доказательство тому – обширный опыт судебной системы. Известно огромное количество случаев, когда и жертвы жестоких преступлений, и обвинители ни за что не желали верить, что тот, кого признали виновным, на самом деле невиновен, даже после анализов ДНК или появления новых свидетельских показаний, которые раз и навсегда снимают всякие обвинения. Отрицание предлагает смятенному сознанию способ избежать того, чтобы заново переживать чувства, которые, как оно полагало, благополучно пережиты и возвращаться к ним уже не надо. Конечно, ошибиться в научной теории – это совсем не то, что обвинить невиновного, однако и это тоже травма, и мы можем предположить, что в таком смысле и отрицание также могло сыграть свою роль в ляпсусе Хойла.

Я несколько раз подчеркивал, что сама идея стационарной Вселенной на тот момент, когда ее сформулировали, была блистательна. Вообще говоря, стационарная Вселенная, предполагающая постоянное создание материи, обладает множеством общих черт с модной сейчас инфляционной моделью Вселенной, согласно которой космос в возрасте доли секунды пережил рывок роста со скоростью выше скорости света. В некотором смысле стационарная Вселенная – это Вселенная, в которой инфляция происходит непрерывно. Впервые об инфляционной модели заговорил физик Алан Гут[378] в 1981 году: помимо всего прочего, она объясняла однородность и изотропию Вселенной. В статье, написанной совместно с Нарликаром в 1963 году, Хойл не без злорадства показал, что «поле рождения», существование которого они предположили, «ведет себя таким образом, чтобы сгладить первоначальную анизоторопию или неоднородность» и что «похоже, что наблюдаемую сейчас регулярность Вселенная приобрела независимо от первоначальных граничных условий». Именно эти качества сейчас приписывают инфляции[379]. Кроме того, блистательный ум Хойла проявился и в том, что он принадлежал к крошечной исследовательской группе, которая изучала две взаимоисключающие теории параллельно. Несмотря на то что Хойл всю жизнь сражался с теорией Большого взрыва, он получил важные результаты в области нуклеосинтеза при Большом взрыве[380] [377], в частности, в том, что касается преобладания в космосе гелия и синтеза элементов при сверхвысоких температурах.

Как-то раз лорд Рис сказал, что Хойл – «астрофизик, выделявшийся среди ученых своего поколения и оригинальностью мышления, и творческим началом». Я как скромный астрофизик всей душой с этим согласен. Теории Хойла, даже те, которые впоследствии оказались ошибочными, всегда будоражили умы, придавали энергии целым областям знания, становились катализаторами новых идей. Неудивительно, что памятник Хойлу (илл. 31) стоит теперь в Кембридже у входа в здание, названное в его честь, на территории Института теоретической астрономии, который он основал в 1966 году.

При всей масштабности достижений Хойла никто не сомневается, что своим нынешним пониманием устройства мироздания мы прежде всего обязаны Альберту Эйнштейну. Его общая и специальная история относительности полностью перевернули наши представления о двух самых что ни на есть основных понятиях, какие только можно придумать – о пространстве и времени. Как ни странно, с одной из идей этой культовой фигуры в мире науки связано выражение «величайший ляпсус».

Предмет моих изысканий распыляет целые галактики, зато объединяет Землю. Да не разлучит нас никакое «всемирное отталкивание»!

Сэр Артур Эддингтон

Если я подброшу в воздух связку ключей, они достигнут какой-то максимально высокой точки и затем упадут обратно мне в руку. И лишь на миг – в той самой максимально высокой точке – замрут в неподвижности. Очевидно, за такое поведение отвечает гравитационное притяжение Земли. Если бы мне каким-то образом удалось разогнать ключи до скорости больше 11 километров в секунду, они бы улетели прочь от Земли, как, скажем, беспилотный космический аппарат «Пионер-10». Однако в отсутствие силы, противодействующей притяжению Земли, подвесить ключи в воздухе не получится. В 1920 годы двое ученых независимо показали, что и пространство-время во Вселенной, похоже, ведет себя примерно так же. Эти исследователи – советский математик и метеоролог Александр Фридман и бельгийский космолог и священник Жорж Леметр – применили общую теорию относительности Эйнштейна к Вселенной в целом. Вскоре они обнаружили, что гравитационное притяжение всей материи и давление излучения во Вселенной приводит к тому, что пространство-время либо растягивается, либо сокращается, но точно не способно сохраняться неподвижным и неизменным. Это важное открытие впоследствии заложило теоретическую основу под открытие Леметра и Хаббла, что наша Вселенная расширяется. Но давайте начнем с начала.

В 1917 году сам Эйнштейн[381] первым попытался осмыслить эволюцию Вселенной в целом в свете своих уравнений общей теории относительности. Это послужило толчком к переходу космологических задач из области спекулятивной философии в сферу физики. Расширение Вселенной к тому времени еще не открыли. Мало того что Эйнштейну ничего не было известно о крупномасштабной динамике вещества во Вселенной – в те годы большинство астрономов еще пребывали в убеждении, что Вселенная состоит исключительно из нашей галактики Млечный Путь, а вне ее нет абсолютно ничего. Весто Слайфер уже наблюдал красное смещение (изменения светового спектра излучения, которые впоследствии объяснили удалением излучающего вещества от наблюдателя с определенной скоростью) в «туманностях» («nebulae»), однако его результаты еще не были ни широко известны, ни верно истолкованы. Астроном Гебер Кертис уже представил некоторые предварительные результаты исследований, свидетельствовавшие о том, что галактика Андромеда – М31 – вероятно, лежит вне Млечного Пути, однако окончательные доказательства этого фундаментального факта – что наша галактика не составляет всю Вселенную – Эдвин Хаббл нашел лишь в 1924 году[382].

В 1917 году Эйнштейн был убежден, что космос на самом крупном масштабе неизменен и статичен, поэтому ему нужно было найти какой-то способ доказать, что Вселенная, описываемая его уравнениями, не рухнет под собственным весом. Чтобы добиться статической конфигурации с равномерным распределением материи, Эйнштейн выдвинул предположение, что должна быть какая-то отталкивающая сила, которая в точности уравновешивает гравитацию.

Поэтому, когда прошло чуть больше года после публикации общей теории относительности, Эйнштейн пришел к блестящему – по крайней мере, на первый взгляд – решению. В своей эпохальной статье под названием «Космологические соображения к общей теории относительности» он ввел в свои уравнения новый член. Этот член привел к неожиданному эффекту – возникновению отталкивающей гравитационной силы! Предполагалось, что всемирное отталкивание действует по всей Вселенной, благодаря чему каждая часть пространства отталкивается от всех остальных частей, а это полностью противоположно поведению материи и энергии. Как мы вскоре обнаружим, масса и энергия искривляют пространство-время таким образом, что вещество стремится к уплотнению. Новый космологический член уравнений ловко сворачивал пространство-время в противоположную сторону – так, чтобы материя расходилась в разные стороны.