Жизнь проста. Как бритва Оккама освободила науку и стала ключом к познанию тайн Вселенной - Джонджо МакФадден

Если Вселенная расширяется, значит, в прошлом она была значительно меньше. Если отсчитать время назад, мы можем предположить, какой Вселенная была примерно 13,8 миллиарда лет назад, через секунду после своего появления, когда она представляла собой раскаленный шар спрессованной материи величиной с яблоко, заполненный чем-то вроде газа, состоящего из элементарных частиц. В результате Большого взрыва маленький шарик Вселенной начал расширяться, что сопровождалось вспышкой излучения, которое 13,8 миллиарда лет спустя наблюдали Арно Пензиас и Роберт Вудро Вильсон с помощью рупорной антенны, установленной на вершине холма в Нью-Джерси. Однако Пензиас и Вильсон никогда бы не смогли оказаться на этом холме, да и холма бы не было, как не было бы и Нью-Джерси, если бы не нейтрино.

Первое, почему мы обязаны нейтрино своим существованием, – это их роль в зажигании звезд. В процессе расширения Вселенной после Большого взрыва из водорода и малых количеств гелия начали формироваться газовые облака, которые под действием гравитационной неустойчивости стали сжиматься, что привело к образованию протозвезд. Вначале они не светятся, но по мере увеличения плотности протоны начинают соединяться, и водород превращается в гелий – внутри звезды запускается «ядерный реактор», происходит термоядерный синтез, и звезды начинают светиться. Нейтрино играют существенную роль в этой реакции: без них был бы нарушен закон сохранения энергии, описанный в теореме Нётер, в данном случае – закон сохранения лептонов. Согласно этому закону, общее количество лептонов (электронов, мюонов, тау-частиц и нейтрино) должно оставаться постоянным. Это возможно только тогда, когда ядерный синтез внутри звезды сопровождается выбросом большого количества нейтрино в звездообразующих вспышках. Итак, без нейтрино не обойтись: без них Вселенная была бы темной и безжизненной.

Не менее важен вклад нейтрино в распространение жизненно необходимых элементов в те регионы, где могла возникнуть жизнь. В результате Большого взрыва образовались водород и гелий, но как же быть с другими необходимыми для жизни элементами, такими как углерод, азот, фосфор и сера? Эти более тяжелые элементы образовались в результате термоядерного синтеза внутри раскаленных звезд, однако, запертые внутри, они не могли стать источником жизни. Вот где нейтрино сыграли еще одну важную роль.

Судьба каждой звезды зависит от ее величины и состава. Малые звезды, такие как наше Солнце, расширяются, когда запас водородного топлива заканчивается, и превращаются в красных гигантов, а затем сжимаются и становятся инертными белыми карликами с запертым внутри запасом необходимых для жизни элементов. Появление больших звезд, размеры которых более чем в 10 раз превосходят размеры Солнца, сопровождается скорее оглушительным грохотом, нежели робким шепотом. Их сильное гравитационное притяжение делает их хищниками: они поглощают находящиеся поблизости маленькие звезды, действуя по принципу гравитационной положительной обратной связи в гравитационном поле, а затем начинают разрушаться, образуя нейтронную звезду. Ядро массивной нейтронной звезды может сжиматься дальше, превращаясь в черную дыру и снова запирая внутри все необходимые для жизни элементы. Когда происходит коллапс нейтронной звезды, возникает ударная волна, запускающая расширение внешней оболочки звезды, которая сначала реагирует слабо, однако затем зажигается под действием потока нейтрино, вылетающего из ядра. С нейтрино связано одно из наиболее энергетически мощных событий Вселенной – вспышка сверхновой, которую в 1572 году наблюдал Тихо Браге.

В результате вспышек сверхновых тяжелые элементы, необходимые для жизни, такие как углерод, кислород и фосфор, выбрасываются в более холодные участки Вселенной, пригодные для жизни, попадая, например, на нашу планету. Возможно, сейчас слова из известной песни Джони Митчелл 1970 года о том, что мы состоим из звездной пыли[467], звучат как расхожая фраза, однако эта пыль разносится потоками крошечных нейтрино. Их точно нельзя назвать сущностями, в которых нет необходимости. Без этих нейтральных частиц, почти не имеющих массы, наша Вселенная была бы очень скучным местом.

ТЕМНАЯ ЭКОЛОГИЯ

Темная материя, возможно послужившая причиной вымирания динозавров, составляет 27 % массы Вселенной. Целых 68 % приходится на загадочную темную энергию. Солнце, звезды и планеты, видимые нам, составляют всего лишь 5 % материи. Почему Вселенная потратила столько ресурсов, чтобы образовалось такое огромное количество темной и очевидно ненужной материи?

На самом деле она не такая уж и ненужная, и ее не назовешь сущностью, в которой нет необходимости, потому что темная материя сыграла две важные роли, определившие наше существование. Прежде всего, она приняла участие в формировании галактик. Это довольно загадочное явление, поскольку, как заметил Нил Турок (см. раздел «Вступление»), реликтовое излучение чрезвычайно однородно, и это свидетельствует о том, что в момент своего появления Вселенная была проста и довольно скучна. Если бы она оставалась такой, не появились бы ни звезды, ни галактики. Однако если посмотреть на излучение (рис. 2) повнимательнее, увеличив изображение, мы увидим неоднородности: вполне различимые комочки, сгустки и волокна какой-то более плотной субстанции. Очевидно, темная материя сыграла роль коагулянта, благодаря которому из диффузного газа образовались плотные скопления в виде облаков, из которых затем появились галактики, звезды, планеты и, наконец, мы с вами.

Другая роль темной материи вырисовывается из следующего наблюдения: в старых галактиках, таких как наш Млечный Путь, продолжается процесс звездообразования со скоростью одна звезда в год, главным образом на границах галактик. Это заставляет задуматься, поскольку раньше считалось, что первоначальный материал звезд сформировался в процессе Большого взрыва и к настоящему моменту уже должен быть израсходован. Нельзя отрицать, что звездный материал пополняется за счет взрыва сверхновых, который сопровождается выбросом значительной массы вещества в межзвездное пространство, однако этот выброс происходит со скоростью примерно 1000 километров в секунду. Не забывайте, что космос – это прежде всего пространство, стремящееся к бесконечности, поэтому остатки сверхновых, в которых содержатся важные для жизни элементы, будут беспрепятственно вырываться за пределы нашей Галактики, стремясь навеки затеряться в бесконечном межгалактическом пространстве. Однако если бы вспышки сверхновых происходили именно так, галактики давно бы уже лишились межзвездного газа и пыли, а механизм звездообразования приостановился бы.

Ответ на вопрос, почему этого до сих пор не произошло, был получен в ходе наблюдений, проведенных американским астрономом Верой Рубин. Она родилась в 1928 году и увлеклась астрономией, когда ей было около десяти лет. В 14 лет она самостоятельно сконструировала телескоп, а к моменту окончания школы у нее созрело твердое решение стать астрономом. Однако это были 1940-е годы, и отношение к женщинам в науке в Америке того времени было примерно таким же, как в Германии во времена Эмми Нётер. Когда Вера подавала документы в Суортмор-колледж в Пенсильвании на отделение естественных наук, один из членов приемной комиссии поинтересовался, какую профессию она собирается выбрать. Услышав в ответ, что она хочет стать астрономом, он удивился и спросил, нет ли у нее каких-нибудь