Рыцарь Вечности

В науке достаточно яркий след оставили не только правильные теории и концепции, но и некоторые красивые заблуждения. Автор одного из таковых — английский астрофизик Фред Хойл. Данное эссе выстроилось в ходе раскопок предыстории теории космологической инфляции — теории, которая наиболее естественным и непротиворечивым образом объясняет появление нашей Вселенной вместе с множеством других подобных и совершенно не похожих. Оказывается, теория Хойла под названием «стационарная модель», будучи неправильной, лежит весьма близко к руслу, из которого вытекла современная космологическая концепция.

Фред Хойл вошел в историю в четырех ипостасях: как один из пионеров теории нуклеосинтеза в звездах, как автор научно-фантастических романов, как поборник теории панспермии и как упрямый безуспешный борец с концепцией Большого взрыва (между прочим, термин «Big Bang», вольно переведенный на русский как «Большой взрыв», придумал именно он).

В теории нуклеосинтеза Хойл пробил тупик, казавшийся глухим, — как в звездах образуются элементы тяжелее гелия. Оказывается, мостиком от гелия к более тяжелым элементам служит тройная гелиевая реакция — сливаются три ядра гелия, образуя ядро углерода. Вероятность реакции получается достаточно высокой лишь потому, что у углерода существует ядерный резонанс с «правильной» энергией; именно Хойл в конце 40-х предсказал существование этого резонанса, потом этот факт был экспериментально подтвержден. Позже он с Маргарет Бербидж, Джефери Бербиджем и Уильямом Фаулером опубликовал фундаментальную статью по звездному нуклеосинтезу, ставшую знаменитой.

Интересно, что он также вполне состоялся как писатель-фантаст. Наиболее известен роман «Черное облако», который можно смело рекомендовать:  http://lib.ru/INOFANT/HOJL/cloud.txt

Что касается стационарной модели Вселенной, то здесь важен контекст, поэтому посвятим пару слов истории космологии.

В XVII–XIX веках, вплоть до 20-х годов ХХ века Вселенная считалась бесконечной, вечной и имела статус вместилища всего сущего. У этой парадигмы были проблемы типа фотометрического парадокса Ольберса (луч зрения в любом направлении в конце концов упрется в поверхность звезды, поэтому всё небо должно сиять, как поверхность Солнца), неизбежности тепловой смерти Вселенной и ее гравитационной неустойчивости. Тем не менее, большинство ученых полагало, что с развитием науки эти проблемы рассосутся, кто-то пытался найти лазейки, спасающие парадигму. Даже сам Эйнштейн, видя, что в его Общей теории относительности Вселенная оказывается нестационарной, предложил ввести в уравнения специальный стабилизирующий член, от которого позже отказался.

В 20-х годах Фридман нашел решения уравнений Эйнштейна, где Вселенная обязательно имела начало во времени и расширяется из состояния с бесконечной плотностью, а Хаббл открыл закон красного смещения галактик. Постепенно теория расширяющейся Вселенной стала утверждаться, но уж очень она казалась философски дискомфортной. Естественно, осталось много тех, кто отстаивал старую вечную Вселенную, придумывая увертки и лазейки. Например, предполагали, что красное смещение вызвано не разбеганием галактик, а «старением фотонов» —будто есть какой-то механизм, в результате которого фотон по дороге теряет энергию.

Хойл отстаивал вечность Вселенной дольше всех. Его теория, вошедшая в историю как «стационарная модель», была впервые предложена им в 1948 году совместно с Томасом Голдом и Германом Бонди.

Хойл признавал, что Вселенная расширяется, галактики разбегаются и красное смещение — реальный эффект Доплера, а не мифическое «старение фотонов». Но! Пусть в каждом кубическом километре пространства в среднем раз в год рождаются один протон и один электрон. Этого достаточно, чтобы компенсировать разбегание галактик и поддерживать среднюю плотность Вселенной на одном уровне. И так могло быть всегда — никаких Больших взрывов.

Откуда возьмутся этот протон с электроном? — Да хоть из ничего! Ведь в космологии Большого взрыва целая Вселенная возникла из ничего (в те времена о «приводном механизме» Большого взрыва никто не имел понятия). По мнению Хойла, Большой взрыв антинаучен и скорее относится к сфере теологии, чем физики.

Далее, новое вещество потихоньку сгущается в новые галактики (на самом деле с этим могут быть большие проблемы), старые освобождают место для новых, и Вселенная самовоспроизводится, оставаясь вечно молодой. Это очень оптимистическая теория. С парадоксом Ольберса всё в порядке — далекие звезды не светят из-за красного смещения. Тепловая смерть тоже отменяется: рождающаяся материя имеет низкую энтропию: она сгустится в звезды и станет новым топливом. Энтропия сопутствующего объема в расширяющейся Вселенной растет, но энтропия фиксированного объема остается постоянной.

В такой вечнозеленой Вселенной приобретает смысл старая идея панспермии. Жизнь возникла не на Земле — она гораздо древнее, а может быть, вечна. Она переносится в космосе в виде спор примитивной жизни, например с пылью или вмороженная в глыбы льда, выброшенного с поверхности планет ударами метеоритов. Споры засевают новые планеты, жизнь на них размножается и эволюционирует к высшим формам, и так будет всегда! Не правда ли, замечательно?!

А если Вселенная родилась в результате Большого взрыва? Тогда в идее панспермии нет особого смысла. Действительно, жизнь на Земле появилась 4 миллиарда лет назад, а еще на 6-7 миллиардов лет раньше для нее во Вселенной не было никаких условий. Какая разница — зародилась жизнь на Земле или чуть раньше на другой планете и с огромными трудностями перепрыгнула на Землю. Статус панспермии уже не тот: вместо неограниченного времени на зарождение и распространение жизни отводится всего лишь раза в 2 больший срок, чем она существует на Земле.

У теории Хойла есть еще один плюс: она отчасти имеет под собой физическую основу, которая окрепла со временем. Такой тип расширения Вселенной, как требуется в этой теории, происходит на самом деле прямо сейчас. Это решение де-Ситтера: ускоренное экспоненциальное расширение, когда расстояние между парой далеких галактик увеличивается в 2 раза, например, каждые 10 миллиардов лет. В 1963–1966 годах Хойл в соавторстве с Джаянтом Нарликаром развил идею, что Вселенная заполнена неким полем, которое он назвал «полем творения» (С-field) с отрицательными давлением и плотностью энергии, которая вызывает экспоненциальное расширение Вселенной и рождает новые частицы.

Здесь осведомленный читатель может воскликнуть: «Да это же один в один инфляция, придуманная на 15 лет позже!». Почти что так, за исключением знака плотности энергии поля. А в общем идея оказалась близкой к истине. Фактически Хойл с Нарликаром действительно первыми предложили кустарный вариант механизма под названием 
«космологическая инфляция», занимающий центральное место в современной космологии. Увы, идея была приложена к неправильному сценарию и имела неверные положения: например, сейчас ясно, что поле с отрицательной энергией будет нестабильно. Сейчас мы много чего еще знаем — что подобное поле существует (только его плотность энергии положительна, а не отрицательна) и что оно действительно вызывает ускоренное расширение Вселенной. Однако рождать протоны с электронами это поле по современным представлениям не может. В широких массах оно известно под именем «темная энергия». Фред Хойл дожил до открытия ускоренного расширения Вселенной (это произошло в конце 90-х) и наверняка порадовался.

Как жаль, что эта жизнеутверждающая теория оказалось неверной!

Сильнейший удар по ней был нанесен открытием микроволнового реликтового излучения, оставшегося со времени, когда Вселенная вся была заполнена горячей плазмой. Хойл не сдался, он предположил, что это излучение — свет далеких звезд, переработанный галактической пылью. Хойлу указали на то, что Вселенная явно меняется со временем: квазары почти исчезли за последние несколько миллиардов лет, изменились типы галактик. Но он продолжал выкручиваться, искал лазейки. В частности, предположил, что творение вещества идет не равномерно, а модулировано синусоидой. Так и не сдался! Испортил себе репутацию, возможно, именно по этой причине не получил Нобелевскую премию, которая была присуждена его соавтору Уильяму Фаулеру за теорию нуклеосинтеза в звездах, но не сдался. Умер в возрасте 86 лет, в звании рыцаря (посвящен в 1972 году), в новом тысячелетии (2001 год), когда основные события в данной области науки уже произошли. Уже стал известен и приводной механизм Большого взрыва — та самая космологическая инфляция. Стал популярен и механизм вечной инфляции — как раз процесс вечного творения с экспоненциальным расширением пространства, только рождаются в этом процессе не протоны с электронами, а вселенные.

Вероятно, драма Хойла заключается в том, что философ и поэт в его душе оказались сильней профессионала-физика. Всё-таки стоит отдать ему должное не только за выдающиеся правильные работы, но и за красивые заблуждения, без которых история науки была бы скучнее.

Борис Штерн