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