Джон Гриббин - 13,8. В поисках истинного возраста Вселенной и теории всего

Джон Гриббин

13,8. В поисках истинного возраста Вселенной и теории всего

13.8

THE QUEST TO FIND THE TRUE AGE OF THE UNIVERSE AND THE THEORY OF EVERYTHING

JOHN GRIBBIN

Научный редактор Игорь Красиков

Издано с разрешения John and Mary Gribbin Partnership in association with David Higham Associates

Правовую поддержку издательства обеспечивает юридическая фирма «Вегас-Лекс»

© John and Mary Gribbin, 2015.

Эту книгу хорошо дополняют:

Интерстеллар

Кип Торн

Квантовая вселенная

Брайан Кокс, Джефф Форшоу

Почему E=mc²?

Брайан Кокс, Джефф Форшоу

Из космоса границ не видно

Рон Гаран

Удовольствие от x

Стивен Строгац

Введение

Самый важный факт

Вселенная имеет начало. Происхождение всего, что мы видим вокруг: звезд, планет, галактик, людей, можно проследить до конкретного момента в прошлом, отстоящего от нас на 13,8 млрд лет назад. Наше поколение стало свидетелем события, когда на главный вопрос, в течение тысячелетий мучивший философов, теологов и ученых, был получен ответ. На то, чтобы идея возникновения Вселенной в конкретный момент времени из гипотезы (не менее, но и не более вероятной, чем идея вечной и бесконечной Вселенной) стала доказанным фактом, ушло почти полстолетия, считая с середины 1960-х годов, когда было открыто реликтовое излучение[1]{1}. С помощью данных космических обсерваторий, в частности спутника «Планк», ученым удалось чрезвычайно точно измерить возраст Вселенной. Но, отмечая этот научный триумф, мы часто забываем, что у всего есть обратная сторона. Именно она делает открытие начала Вселенной столь захватывающим.

Наиболее важный в науке факт заключается в том, что теория микромира (квантовая теория) в точности согласуется с теорией макромира (космологией, или общей теорией относительности), даже несмотря на то, что они развивались независимо друг от друга и что никому до сих пор не удалось соединить их в единую систему – теорию квантовой гравитации. Но уже то, что по отдельности они дают правильные ответы на одни и те же вопросы, подсказывает нам, что вся физика как таковая (и, по сути, вся наука) находится на верном пути. Все сходится.

Что это за главный вопрос? Откуда мы знаем, что теории согласуются? Дело в том, что возраст Вселенной, вычисленный космологами – 13,8 млрд лет, – ненамного больше возраста звезд, определенного астрофизиками. Но, несмотря на то что об этом фундаментальном открытии впору кричать на всех углах, на него мало обращают внимание. Я постараюсь восстановить справедливость.

Последние события в мире науки проливают свет на то, почему была забыта значимость этого совпадения возрастов. Я решил написать эту книгу весной 2013 года, когда в заголовках СМИ появились данные со спутника «Планк». Все писали, что, оказывается, Вселенная старше, чем мы думали. Космологов тогда это возмутило. Да, возраст Вселенной был увеличен, но всего с 13,77 до 13,82 млрд лет, меньше чем на полпроцента (а потом еще и скорректирован до 13,80 млрд лет)! Однако самое важное в этих данных то, что мы вообще сумели узнать ее возраст с такой потрясающей точностью. Поколение наших отцов (хотя они уже знали, что Вселенная имеет начало) могло лишь сказать, что ей примерно между десятью и двадцатью миллиардами лет. Но и точность новейших измерений – только половина научной важности этого открытия как для физики, о которой преимущественно и пойдет речь в книге, так и для других наук (философскую и религиозную стороны вопроса я здесь не затрагиваю).

Судя по возрасту самых старых звезд, они лишь немногим моложе Вселенной. Если этот факт сам по себе недостаточно впечатляет, представьте, что подумали бы ученые, если бы все было наоборот: если бы звезды оказались старше Вселенной! Это значило бы, что по крайней мере одна из двух их любимых теорий – квантовая физика или общая теория относительности – неверна.

Впрочем, не стоит даже представлять себе, что подумали бы ученые в таком случае. Согласование возрастов, о котором я упомянул, стало результатом процесса, начавшегося сразу после Второй мировой войны, то есть – так уж совпало – длившегося всю мою жизнь. Я не только работал в одном из научных коллективов, занимавшихся измерением возраста Вселенной, но и лично знал многих участников этого процесса. Когда я был ребенком, астрономы были уверены, что звезды действительно старше Вселенной. Это было одной из основ модели стационарной Вселенной, воспринимаемой бесконечной и практически неизменной во времени и пространстве. Далее я расскажу, как от этого явного противоречия 1940-х годов удалось прийти к современному согласованию данных, в том числе насколько значимыми оказались результаты наблюдений спутника «Планк», и вы поймете, почему все это так важно. Одновременно я введу вас в курс дела, рассказав историю космологии и астрофизики. Начну с открытий XIX века, указавших путь к пониманию природы звезд и Вселенной, – к самому важному факту.

Пролог

2,712

Измеряя температуру Вселенной

Полвека назад, в 1965 году, американские астрономы Арно Пензиас и Роберт Вильсон[2] сообщили, что им случайно удалось уловить слабый радиошум, поступающий из всего космического пространства. Тогда они еще не знали, что это космическое микроволновое фоновое, или, как его еще называют, реликтовое, излучение было более чем за десять лет до этого описано в рамках модели возникновения Вселенной в результате Большого взрыва Георгием Гамовым[3] и его коллегами. По удивительному совпадению в том же году другой коллектив астрономов под руководством Джима Пиблса[4] самостоятельно (не зная о выводах группы Гамова) пришел к идее существования такого излучения и даже начал строить детектор для его поиска. Когда Пиблс узнал об обнаружении шума, он быстро понял, что это подтверждает теорию Большого взрыва; в своем отчете Пензиас и Вильсон сознательно не упомянули об этом, так как сами они поддерживали модель стационарной Вселенной. Тем не менее практически со дня публикации этого отчета теория Большого взрыва стала основной космологической парадигмой. Температура реликтового излучения на сегодня составляет 2,712 К, или –270,288°С, что свидетельствует о невероятно высокой изначальной температуре Вселенной и убедительно доказывает, что у нее было начало.

Вначале Пензиас и Вильсон не понимали всей значимости собственного открытия. Они проводили опыты в Лаборатории Белла при американской телефонно-телеграфной компании AT&T и использовали антенну на Кроуфордском холме в штате Нью-Джерси, созданную для проверки осуществимости глобальной коммуникации через спутники: политика компании позволяла ученым проводить наряду с прикладными, телекоммуникационными, и чисто научные исследования.

Телефонная лаборатория Белла была основана как исследовательское подразделение AT&T 1 января 1925 года. Спустя всего пару лет два исследователя, Клинтон Дэвиссон и его помощник Лестер Гермер, доказали волновую природу электрона, совершив ключевое открытие в квантовой физике. В результате в 1937 году Дэвиссон стал первым ученым в Лаборатории Белла, удостоенным Нобелевской премии. Первым, но не последним. Здесь же был изобретен транзистор, авторы которого Уильям Шокли и Уолтер Браттейн разделили Нобелевскую премию 1956 года. К началу 1960-х Лаборатория Белла получила широкое признание как центр научной мысли и множество молодых исследователей мечтали там работать.

Арно Пензиас стал одним из них. Его родители, евреи, жили в Германии (отец был родом из Польши). Арно появился на свет в Мюнхене 26 апреля 1933 года; как раз в этот день было создано гестапо. Старший сын в зажиточной семье, он не ощущал сгущающихся над страной туч до 1938 года, когда нацисты стали собирать всех евреев, не имевших германских паспортов, и отправлять их в Польшу. Польские власти питали к евреям почти такую же неприязнь, что и немецкие, и 1 ноября 1938 года закрыли границу, прервав этот новый Исход. Поезд, на котором ехала семья Пензиас, прибыл на несколько часов позже и был отправлен обратно в Мюнхен. Отцу Арно дали полгода на то, чтобы убраться из страны, в противном случае ему грозило преследование. Так в возрасте шести лет Арно и его младший брат, за которым мальчику было поручено присматривать, были отправлены в Англию. Родителям удалось получить визы чуть позже, они чудом успели выбраться из Германии до начала Второй мировой войны. За несколько месяцев до этого глава семьи с удивительной предусмотрительностью купил билеты на океанский лайнер до Нью-Йорка, и семья встретила Рождество и 1940 год посреди Атлантики.