От Большого Взрыва до Великого Молчания

 

Продолжаем знакомить читателей с книгами, вошедшими в длинный список ежегодной премии «Просветитель». В октябре из их числа будут выбраны восемь изданий, среди которых позже и определят победителей в двух номинациях: «естественные и точные науки» и «гуманитарные науки».

Книга астрофизика Владимира Липунова «От Большого Взрыва до Великого Молчания», вышедшая в издательстве АСТ, описывает взгляды современных физиков на устройство Вселенной и историю формирования этих взглядов. Как возникла наша Вселенная? Почему наша Вселенная горячая? Зачем нужны темная энергия и темная материя? Что такое Великое Молчание и почему нам никто не пишет из глубин Вселенной? Ответы на эти вопросы читатель найдет в книге. В предисловии автор обещает рассказывать даже о самых сложных проблемах физики так, чтобы было понятно простому старшекласснику.

 

Почему Вселенная называется горячей?

История ядерной физики и астрофизики и просто история XX в. удивительным и неслучайным образом накрепко переплелись. Вернемся в конец 40-х годов прошлого века. Идет холодная война. Два человека — два ядерщика — работают над атомным оружием. Один — в США, а другой — в СССР. И тот, и другой могли встретиться в 20-е годы в Ленинграде. Но этого не случилось, потому что Георгий Гамов эмигрировал, покинув свою Джаз-банду. Вспоминается знаменитое советское «Кто сегодня любит джаз, завтра родину продаст!» Но Гамов фактически спасся. В 30-е годы его друзья попали в переплёт: Димуса (Дмитрия Дмитриевича Иваненко) осудили и отправили в лагеря, Лев Давидович Ландау был просто спасен Капицей, а вот Аббат — Бронштейн — был расстрелян, как и многие в Пулковской астрономической обсерватории. Конечно, репрессии, конечно Сталин, но вот, пожив 20 лет в Интернете, понимаешь, сколь же многочисленны доносчики и анонимщики в этом мире.

Вторым героем этой главы станет Яков Борисович Зельдович — человек, который еще до Второй мировой войны построил теорию цепных ядерных реакций (совместно с другом — физиком Харитоном), а в конце 40-х стал заведующим лабораторией под замечательным названием «Теория атомной бомбы» Курчатовского атомного проекта в старинном русском городе Сарове.

Оба, работая над атомным проектами стран соперников и даже врагов по холодной войне, конечно, находили время, чтобы подумать о вечном, т. е. о законах мироздания, о Вселенной. В 1953 г. Георгий Гамов первым догадался, что в расширяющейся Вселенной, предсказанной Фридманом и открытой Хабблом, наряду с обычным веществом, сосредоточенным в основном в звездах и галактиках, должно быть еще никем не открытое, призрачное микроволновое излучение. Оно, подобно бесконечному океану, заполняет все уголки Вселенной. И именно оно делает Вселенную горячей!

Действительно, давайте применим закон Стефана — Больцмана к небольшому шарику однородной и изотропной Вселенной, заполненному излучением. Легко видеть, что плотность энергии шара будет изменяться обратно пропорционально четвертой степени его радиуса: u ~ U/V ~ 1/R4. Но, согласно закону Стефана — Больцмана, плотность энергии излучения пропорциональна четвертой степени температуры u ~ T4. Отсюда получаем, что в ходе расширения Вселенной температура равновесного излучения изменялась обратно пропорционально её радиусу T ~ 1/R. Если уйти в прошлое, то оказывается, что раньше температура Вселенной была намного больше, чем сейчас, и даже бесконечной в начале. Световой газ, заполняющий Вселенную, если он действительно существует в ней в настоящее время, разогрел бы вещество до такой степени, что оно превратилось бы в горячую плазму.

Однако в 1963 г. советский физик Зельдович обратил внимание на то, что наблюдаемое расширение Вселенной вовсе не означает, что в прошлом она была горячей. Например, атомная бомба перед взрывом вовсе не должна быть горячей — её можно потрогать руками! Кому как не Зельдовичу — одному из создателей русского атомного оружия — этого не знать! И он придумал холодную модель Вселенной. Но что это значит — холодная, горячая? «Ну вот, — скажет читатель, — опять кухонные термины! То у вас печка, то что-то там томится, а теперь холодная — горячая». Ну и что! Кухня — дело важное. На кухнях много бывало интересных разговоров в XX в. <...> Яков Борисович Зельдович был лет на 10 моложе участников Джаз-банды и попал в физическую среду Ленинграда, когда его оппонент уже эмигрировал в Америку. Проработав вначале под руководством академика Семёнова, получившего Нобелевскую премию по химии за разработку теории химических цепных реакций, Зельдович в 1938 г., совместно со своим старшим товарищем Юлием Харитоном, применил эту теорию к цепным ядерным реакциям. Именно поэтому Курчатов позже привлек Зельдовича к атомному проекту. В начале 60-х годов Зельдович, наконец, получил возможность снова работать в науке открыто и с неописуемой энергией и страстью создал советскую школу релятивистской астрофизики. Так вот, в своей работе 1963 г. Зельдович, полемизируя с Гамовым, отметил, что закон Хаббла всего лишь говорит о том, что в прошлом плотность Вселенной была больше, но ничего не говорит о температуре Вселенной. Расширение означает лишь одно — Вселенная раньше была более плотной. Поэтому, возможно, в прошлом Вселенная была не только очень плотной, но и холодной! Что это значит в физическом смысле? Дело в том, что во Вселенной имеется огромное количество сверхплотных сгустков вещества (называемых белыми карликами и нейтронными звёздами). При этом они настолько холодные, что могут находиться в кристаллическом состоянии. Вот и ответ. Можно взять твёрдое вещество — например, металл, — накалить его и превратить в жидкость, а подогрев ещё — и в газ, да и в плазму. Значит, кусок металла может быть холодным — кристаллическим, или горячим — в жидком или газообразном состоянии. Значит, и Вселенная могла быть вначале и холодной кристаллической или горячей газообразной. Но мы знаем, что в горячей печке рождается чернотельное излучение. Следовательно, если Вселенная горячая, то она должна быть заполнена равновесным однородным, изотропным чернотельным излучением. Конечно, в ходе расширения Вселенной оно будет остывать по закону обратного размера Вселенной T ~ 1/R и постепенно из жесткого коротковолнового излучения превращаться в мягкое длинноволновое, а точнее, радиоволновое с максимумом в миллиметровом диапазоне. И чтобы выбрать между двумя вариантами, Зельдовича и Гамова, требовалось открыть или закрыть остатки этого горячего состояния в виде «реликтового» (термин придумал советский астрофизик Иосиф Шкловский) излучения.

Но как можно определить температуру Вселенной? Где этот градусник и куда его вставить? Георгий Гамов придумал его! И, пожалуй, это стало его вторым из трёх великих открытий. К тому времени уже стало ясно (благодаря стахановским наблюдениям Слайфера и других астрономов), что современная Вселенная состоит на 70 % из водорода и на 25 % из гелия. То, что наша Вселенная водородная, — неудивительно. Ведь водород — самый простой атом Вселенной — состоит из протона и электрона. Неудивительно, что господь Бог создавал сначала простое, а потом сложное. Но удивительно другое — откуда взялся гелий в нашей Вселенной, да еще в таком огромном количестве — четверть! Но ведь Гамов был величайшим «алхимиком» ХХ в. Ведь именно он первый придумал цепную реакцию превращения водорода в гелий в звездах. И он понимал, что, сколько бы звезды ни тужились, им в жизни не хватило бы силенок превратить четверть всего наличного водорода в гелий. Но ведь гелий мог быть создан самой Вселенной. Ведь Вселенная могла быть раньше настолько горячей, что в ней могли идти термоядерные реакции горения водорода с превращением в гелий. Но для этого надо было предположить, что Вселенная была раньше горячей!

Георгий Гамов прикинул, какой должна быть современная температура равновесного излучения. Для этого он воспользовался оценками плотности Вселенной и ее химическим составом и рассчитал, при какой температуре Вселенной в ней успеет «нагореть» из первичного водорода нужное количество гелия. У Гамова получилось, что температура излучения должна быть порядка 10 К. Это очень холодный газ, скажет читатель и будет прав. При такой температуре свет уже не свет, а микроволновое излучение! Значит, предположил Я. Б. Зельдович, для окончательного установления истины нужно провести эксперимент: попытаться обнаружить реликтовое излучение.

И вот наступает 1965 г. Зельдович, наверное, даже не предполагал, как быстро падет его модель. А может, и предполагал. В это же время два члена его команды — Андрей Дорошкевич и Игорь Новиков — проверяют, можно ли современными методами зарегистрировать реликтовое излучение, и доказывают, что да, это слабое излучение в микроволновом диапазоне можно обнаружить радиоастрономическими методами, т. е. с помощью радиотелескопа! Более того, на семинар к Зельдовичу из Ленинграда приезжают радиофизики, которые утверждают, что они давно уже обнаружили это излучение! Публикация об этом эпохальном открытии появляется в специальном радиофизическом журнале на русском языке, но ее, к сожалению, никто не замечает[1]. Может, и не хочет замечать. Как бы там ни было, но в 1965 г. радиоинженеры Роберт Уилсон и Арно Пензиас, не имевшие понятия о горячей Вселенной, сообщают об открытии универсального чернотельного излучения, позже названного Иосифом Шкловским реликтовым. Они установили, что куда бы ни смотрел радиотелескоп (не в Землю, конечно), отовсюду приходило излучение с температурой 2,7 К. Великолепное согласие с теорией Гамова! Почему Гамов не получил Нобелевскую премию — непонятно. А ведь это только один из трех великих результатов Гамова. Ну, да  Нобелевская премия — вещь в себе, есть там великие результаты, а есть и посредственные, и есть много «не лауреатов» величайшего калибра, от Льва Толстого до Георгия Гамова.

В западной литературе до сих пор живет термин «микроволновое фоновое излучение Вселенной», но, конечно, никакого отношения к микроволновой печи Вселенная не имеет.

Вот мы всё время говорим «неоднородность, однородность...» Но это не какие-то отвлеченные метафизические свойства излучения. Каждый, кто разогревал пищу в микроволновой печи, знает, что часто наряду с обжигающими кусками пищи попадаются холодные, как из холодильника. Это результат неоднородности распределения энергии внутри микроволновой печи. Дело в том, что излучение в микроволновой печи так же далеко от равновесия, как и вкус расстегайчиков, испечённых в русской печи, от вкуса полуобгоревших тостов, которыми сотрудники утоляют голод долгими вечерами, задерживаясь в лабораториях. В отличие от чернотельного излучения, которое абсолютно однородно и изотропно, излучение в микроволновой печи не имеет того цветового (спектрального) разнообразия, а еще и очень неоднородно. Чтобы как-то бороться с неоднородностью, тарелку с пиццей вращают в узлах стоячих электромагнитных волн. А потом эту пиццу едят.



[1] В 1955 г. аспирант-радиоастроном Тигран Арамович Шмаонов в Пулковской обсерватории под руководством известных советских радиоастрономов С. Э. Хайкина и Н. Л. Кайдановского провел измерения радиоизлучения из космоса на длине волны 32 см и экспериментально обнаружил шумовое СВЧ-излучение. Вывод из этих измерений был таков: «Оказалось, что абсолютная величина эффективной температуры радиоизлучения фона… равна 4 ± 3 К». Шмаонов отмечал независимость интенсивности излучения от направления на небе и от времени. После защиты диссертации он опубликовал об этом статью в неастрономическом журнале «Приборы и техника эксперимента». Кстати, американский астроном Мак-Келлар еще в 40-е годы обнаружил то же излучение совершенно другим способом. Об этом мы еще расскажем на страницах этой книги. Жаль, что Гамов не прочел эти работы, тем более что первая из них была написана на его родном русском языке.

Ранее в рубрике «Медленное чтение» были представлены следующие книги, вошедшие в длинный список премии «Просветитель» 2019 года:

Обсудите с коллегами

14:00

В загадочных случаях детского паралича обвиняют энтеровирус

13:00

Рекорд громкости брачных криков у птиц составил 125 децибел

12:00

После реставрации публика увидела картину флорентийской художницы XVI века

11:00

Ирландцы хотят вернуть останки Джеймса Джойса на родину

21.10

Впервые обнаружен иммунный ответ при аутизме

21.10

Австралийцы сомневаются, применять ли вирус герпеса для борьбы с карпами

Невероятные женщины, которые изменили искусство и историю