Марио Ливио - От Дарвина до Эйнштейна. Величайшие ошибки гениальных ученых, которые изменили наше понимание жизни и вселенной
Примерно пятью годами раньше Гамов занимался решением другой, еще более фундаментальной задачи: космического происхождения водорода и гелия. Его решение было подлинно блистательным. Однако оно не объясняло существования элементов тяжелее гелия. Эту масштабнейшую задачу призван был решить другой астрофизик и космолог – Фред Хойл. С одной стороны, Хойл занимался эволюцией Вселенной в целом, с другой – происхождением жизни в ней. Он был одновременно одним из самых выдающихся и самых противоречивых умов ХХ века.
Глава 8. Б – значит Большой взрыв
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].
