Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения - Барри Паркер

Но если сейчас Вселенная расширяется, нетрудно сделать вывод, что у неё должно было быть начало. А это значит, что если заставить время течь вспять, то Вселенная сожмётся и будет сжиматься до тех пор, пока всё вещество не окажется в одной точке – результат, на первый взгляд странный, который не понравился ни Эйнштейну, ни Эддингтону. Эддингтону больше нравилось предположение о том, что Вселенная первоначально находилась в состоянии, которое ей приписывал Эйнштейн, т.е. в статическом, когда вдруг что-то взорвалось и она начала расширяться. Это объясняет и проблемы, связанные с началом Вселенной и её плотным первичным состоянием. Но Леметра (возможно, потому что он был священником, а с точки зрения церкви у Вселенной должно быть начало) привлекала гипотеза об исходном сверхплотном состоянии. Он называл эту раннюю сжатую Вселенную первичным атомом. Георгий Гамов, который развил идеи Леметра, в своей книге «Возникновение Вселенной» заметил, что лучше было бы назвать её первичным ядром. Леметр, собственно, и представлял её себе не в виде атома, а в виде ядра, которое делится или расщепляется как уран в атомной бомбе. Деление продолжается до тех пор, пока Вселенная не наполнится элементарными частицами. Этот процесс он описал в книге «Первичный атом» (1951):

«Атом разделится на части, каждая из них – на ещё более мелкие. Предположив, для простоты, что при делении получаются равные части, мы обнаружим, что потребовалось бы 260 последовательных делений, чтобы материя достигла того состояния, в котором находится сейчас, когда атомы так малы, что кажется, их уже невозможно разделить на более мелкие части. Эволюцию мира можно сравнить с фейерверком, который почти закончился: несколько красных угольков, пепел и дым. Стоя на остывшем пепле, мы видим медленно угасающие солнца и пытаемся воскресить исчезнувшее великолепие начала миров.»

Леметр разрабатывал свои идеи несколько лет. Его теорию Фред Хойл позднее окрестил теорией Большого взрыва. Гамов способствовал её популяризации под тем же названием, и Леметра стали называть отцом Большого взрыва. Однако математическая разработка его идей показала, что не всё так просто, и вскоре был предложен новый подход к проблеме.

Инициатором нового подхода, который с некоторыми изменениями сохранился до наших дней, был Георгий Гамов. Гамов родился в 1904 году в России. В семь лет он зачитывался Жюлем Верном и мечтал о полётах на Луну. Несмотря на то, что начальное образование он получил весьма приблизительное, так как из-за войны занятия часто отменялись, он очень интересовался астрономией и физикой. К тому времени, когда Гамов собрался поступать в университет, война окончилась и жизнь несколько устроилась, хотя последствия войны продолжали сказываться. Он поступил в Новороссийский университет в Одессе, надеясь получить физико-математическое образование, но к этому времени на физическом факультете остался единственный профессор, который отказался преподавать в таких условиях, и факультет прекратил своё существование. Гамов стал усиленно заниматься математикой, но и тут не обошлось без трудностей: большинство лекций читали вечером, когда частенько гас свет. Впрочем, как писал Гамов, «профессора спокойно продолжали лекции».

Проучившись так год, Гамов решил отправиться в Ленинградский университет. Там он заинтересовался теорией Эйнштейна, но профессор, знакомый с работами этого учёного, умер вскоре после того, как Гамов попал в университет.

В 1928 году Гамов из Ленинграда отправился в Гёттингенский университет, который в то время был европейским центром теоретической физики. Время было интересное: только что появилась квантовая механика, и в Гёттингене собрался цвет физической науки. Гамов заразился всеобщим энтузиазмом и опубликовал одну из своих самых значительных работ по применению квантовой механики для объяснения альфа-распада и туннельного эффекта.

Из Гёттингена Гамов отправился в Копенгаген к Нильсу Бору. Он собирался пробыть у Бора недолго, но тот предложил ему остаться на год, и Гамов согласился. Затем он отправился в Кембридж и, пробыв там около года, вернулся домой. Приехав в Россию, он вскоре понял, что его возвращение было ошибкой, и начал строить планы побега. Задача осложнялась тем, что он недавно женился.

Поначалу он хотел пересечь Чёрное море на байдарке и пробраться в Турцию. Запасшись едой на несколько дней, Гамов с женой отправились в путь. Гамов сидел впереди, жена сзади. Первый день прошёл спокойно, но когда берег скрылся из вида, задул сильный ветер и поднялись волны. Вскоре они уже захлестывали байдарку, угрожая потопить её. Гамов греб, жена вычерпывала воду. Силы их истощились, и они уснули. Проснувшись, они увидели, что шторм утих, но земли на горизонте не было. Гамов решил, что с него довольно, и повернул туда, где по его расчётам должна была быть земля. Он греб изо всех сил, но, пристав к берегу, понял, что они всё ещё в России.

Немного позже был разработан второй план побега: на лыжах по снежным равнинам до Финляндии. Но этот план тоже не осуществился. Прошло немного времени, как вдруг Гамов получил правительственное письмо, предписывавшее ему официально представлять СССР на Сольвеевском конгрессе в Брюсселе. Он просто запрыгал от радости, не смея поверить удаче.

Гамов с удовольствием прокатился по Европе на мотоцикле, а потом отправился в США, в Университет им. Джорджа Вашингтона. Сейчас Гамов известен как популяризатор науки, автор огромного 125 числа работ, известен он и своим поразительным чувством юмора – учёный никогда не упускал случая разыграть приятеля.

Гамова интересовало рождение Вселенной, так как он занимался происхождением элементов. Как во Вселенной образовались элементы? Ранее учёные считали, что все элементы образуются в звёздах, но в 1939 году Ганс Бете сделал поразительное сообщение о том, что таким образом могут образовываться только элементы не тяжелее гелия (позднее оказалось, что это не так). В 1942 году Чандрасекар высказал предположение о том, что элементы могли образоваться в ранней Вселенной: плотность вещества была очень большой и температура составляла более 10 миллиардов градусов, чего вполне достаточно для образования ядер.

Георгий Гамов (1904-1968) (на фото слева)

Гамов развил подход Чандрасекара, но использовал несколько иной метод, предложенный Леметром. В отличие от Леметра, полагавшего, что происходит деление первичного атома, Гамов предположил, что в ядре идёт синтез, как в водородной бомбе. Вот что писал об этом Гамов: «Первичным состоянием материи, очевидно, был горячий ядерный газ (а не жидкость). Согласно нашим предположениям, физические условия в то время менялись так быстро, что подлинного равновесия не существовало…». В его ядре были нейтроны, протоны и электроны с невероятно высокой температурой. Известно, что свободные нейтроны примерно через 13 мин распадаются на протоны и электроны, но температура была так велика, что при соударении электрона с протоном вновь 126 образовывался нейтрон, что приводило, по мнению Гамова, к квазиравновесию. Гамов назвал эту хаотическую смесь красочным, но редким словом «илем» (что означает первичную субстанцию, из которой образуются элементы). Конечно, первоначально температура была слишком высока, и из этих частиц ядра образовываться не могли, однако постепенно, когда температура понизилась до 109 K, должны были пойти ядерные реакции. Реакции протекали сравнительно недолго, может быть, не больше часа, так как Вселенная продолжала расширяться и остывать. Постепенно температура понизилась настолько, что при столкновении электронов с протонами нейтроны уже не могли образовываться и вскоре исчезли из Вселенной.

Примерно в то же время физики-ядерщики начали подробно разрабатывать механизм ядерных реакций тех типов, которые происходили в ранней Вселенной; были подсчитаны вероятности протекания (эффективные сечения) части из них. Гамову нужен был только студент-старшекурсник, который сделал бы утомительные расчёты (грязная работа всегда достаётся студентам), и такой студент скоро нашёлся. Русский физик Лифшиц только что защитил диссертацию по теме, связанной с галактиками, над которой работал и Ральф Альфер, и теперь Альферу нужна была новая тема. Гамов поручил ему исследовать, как, начиная с илема, могли при последовательной бомбардировке нейтронами образоваться различные элементы. Альфер взял имевшиеся данные (эффективные сечения), построил с их помощью график – аккуратную кривую – и пошёл дальше. Вскоре ему удалось показать, что элементы действительно могли образоваться так, как предполагал Гамов.

Готовя работу к публикации, Гамов, который не мог упустить случая пошутить, заметил, что фамилии авторов – его и Альфера – напоминают названия первой и третьей букв греческого алфавита: «альфа» и «гамма». Не хватало только «беты», и Гамов вспомнил о своём приятеле из Корнуэлла по фамилии Бете. Гамов включил его в список авторов, и впоследствии теорию так и стали называть: «альфа – бета – гамма». Бете, вроде бы, ничего не имел против и даже помогал обсуждать теорию, но когда впоследствии выяснилось, что она всё-таки неверна, Гамов уверял, что до него дошли слухи, будто Бете собрался сменить фамилию. Кстати, о перемене имён. Как позже вспоминал Гамов, он просил своего сотрудника Германа, также работавшего над этой теорией, сменить фамилию на «Дельтер», чтобы ряд был полным («дельта» – четвёртая буква греческого алфавита), но тот «…с тупым упрямством отказывался», как сокрушался Гамов.