набор умозрительных гипотез, зародилась в ХХ веке с теоретических работ Эйнштейна, Фридмана, Леметра[37] и открытия Хаббла. До этих исследований космология была скорее философской, чем естественнонаучной дисциплиной. Мыслители рассуждали, как должна (или может) быть устроена Вселенная. Эти предположения невозможно было ни доказать, ни опровергнуть, а значит, согласно принципам научного метода такие концепции не имели никакого отношения к науке.
Непреложный факт присутствия космологического красного смещения в спектрах галактик и следующий из этого факта закон Хаббла резко изменили ситуацию. Теперь любая картина мира должна была обязательно учитывать, описывать и объяснять открытый Хабблом факт. Те варианты картины мира, где не было разлета галактик, следовало отвергнуть (это пришлось сделать).
Итак, галактики удаляются друг от друга. Вселенная, как предполагали и Эйнштейн, и Хаббл, действительно оказалась однородной и изотропной. Вселенная расширяется, подобно поднимающемуся тесту с изюмом. Если мы представим себя в одной из изюминок (пусть это будет наша Галактика), мы обнаружим, что со временем все прочие изюминки удаляются от нас в разные стороны, и чем дальше находится от нас та или иная изюминка (другая галактика), тем быстрее нарастает расстояние до нее. Замечательно, что, если мы пересядем на другую изюминку, картина не изменится: по-прежнему все прочие изюминки будут от нас удаляться.
Расширение теста с изюмом, разумеется, во многом отличается от космологического расширения — в частности, в том, что в самом начале изюминки были все-таки не в одной точке теста, хотя и близко друг к другу. А что же было в начале Вселенной? Как это узнать, не придумывая, а опираясь на факты?
Астрономия (точнее, ее наиболее быстро развивающаяся часть — астрофизика) давала все больше данных для этого.
Если две тысячи лет назад люди придумывали «элементы», из которых состоит мир, то в ХХ веке химический состав небесных тел, наполняющих Вселенную, стал достоверно известным. Анализ спектров многочисленных звезд показал, что звезды в основном состоят из двух самых легких элементов таблицы Менделеева — водорода и гелия, при этом водорода почему-то всегда оказывалось втрое больше (по массе[38]), чем гелия. Присутствовали в звездных спектрах линии и других элементов (порой всех известных типов атомов), но их общее количество было невелико — порядка одного-двух процентов от общей массы звезды. Водород и гелий примерно в том же массовом отношении (3:1) обнаружились и в межзвездной среде — в газовых облаках.
Такими оказались практически все звезды, включая наше Солнце. Спектры далеких галактик (суммарные спектры миллиардов звезд) демонстрировали аналогичную картину. Это был факт, который носил всеобщий (космологический) характер, типичный для всей наблюдаемой части Вселенной. Его нужно было как-то объяснять.
Развивая идеи Эйнштейна, в конце тридцатых годов ХХ века немецкий физик Ганс Бете (1906–2005) с сотрудниками открыл реакции ядерного синтеза, упомянутые в главе 9. При гигантских температурах и давлениях ядра атомов водорода превращаются в ядра атомов гелия. При этом из двенадцати ядер атомов водорода (протонов) получается одно ядро атома гелия. Если весь гелий во Вселенной получился в ходе термоядерных реакций из водорода, значит, его и должно быть повсюду в двенадцать раз меньше по числу атомов, или втрое меньше по массе, чем водорода.
Более тяжелые атомы: литий, бериллий, бор, азот, углерод, кислород и далее по списку (точнее, по таблице Менделеева) — всего 90 типов атомов, которые встречаются в природе, если не считать водород и гелий, формируются в результате сходных реакций при еще более высоких температурах и давлениях. Такие условия в современной Вселенной достигаются далеко не всегда (например, в недрах очень массивных звезд, во время взрывов либо столкновений звезд между собой), поэтому атомов тяжелее гелия во Вселенной относительно немного — всего доли процента[39]. Они почти не влияют на общее соотношение элементов во Вселенной. Вещество Вселенной состоит почти полностью из водорода и гелия в упомянутом массовом соотношении 3:1[40].
Где же протекали эти реакции, превратившие четверть всей массы водорода в гелий? Оценки скорости этого процесса, протекающего в недрах звезд, показали, что там действительно идут такие реакции, но крайне медленно. Наше Солнце светит, как сейчас мы знаем, уже около пяти миллиардов лет. Есть звезды, которые вдвое старше, и тем не менее соотношение водорода и гелия, судя по спектрам, практически во всех звездах примерно одинаково — это те же 3:1. Это значит, что процесс производства гелия из водорода в недрах звезд малоэффективен и может продолжаться очень долго, не меняя радикально начальное соотношение. Стало быть, основная масса гелия в звездах появилась не внутри звезд. Звезды сами сформировались из этой первичной смеси. Не может ли это означать, что отношение числа атомов водорода к числу атомов гелия во Вселенной сохранилось с самого начала ее существования, возможно, со времен самого Большого взрыва?
Над этой проблемой всерьез размышлял ученик Фридмана, некогда слушавший его лекции в Петроградском университете — как раз в те времена, когда Фридман работал над своими космологическими моделями. Ученика звали Георгий Антонович Гамов (1904–1968). В 1933 году он эмигрировал из СССР, в 1940 году получил гражданство США. В сороковые годы Джордж Гамов пришел к мысли о том, что Вселенная в начальном состоянии была горячей и плотной, и значит, в ней были подходящие условия для того, чтобы четверть всей массы водорода превратилась в гелий. Позднее Гамов писал, что о горячей Вселенной ему говорил его первый научный руководитель — Александр Александрович Фридман.
Идея Гамова заключалась в следующем. Если Вселенная расширяется, значит, в прошлом, в самом начале ее эволюции, плотность материи была гораздо выше, чем сейчас, — как в недрах сегодняшних звезд. Температура тоже была чрезвычайно высокой. В этих условиях самый простой химический элемент — водород — вполне мог в ходе реакций ядерного синтеза частично превратиться в гелий. Но другие реакции с образованием тяжелых элементов почему-то не запускались, хотя такие процессы также можно было ожидать.
Теорию первичного синтеза элементов в горячей Вселенной разработали Джордж Гамов и его аспирант Ральф Альфер. В качестве соавтора научной статьи Гамов указал Ганса Бете — его фамилия была дописана, когда текст был уже готов. Это была типичная для эксцентричного Гамова шутка: ему хотелось, чтобы новая концепция получила название Альфа-Бета-Гамма-теория, обыгрывая названия первых букв греческого алфавита.
В теории Гамова был еще один важный элемент. Горячее начальное вещество, согласно разделу физики, называемому термодинамикой, должно было породить электромагнитное излучение. Законы термодинамики, многократно проверенные и доказанные, требовали, чтобы в горячем веществе возник своеобразный газ из частиц света, сгустков
