Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

В решении сложных и запутанных систем уравнений учёным хорошо помогают компьютеры. Вычисления, которые с огромным трудом производились вручную в 1940-х, сейчас выполняются современными компьютерами за несколько секунд. Немного программирования – и любой сможет воспроизвести процесс образования тяжёлых элементов… или, что ещё восхитительнее, поиграть в творца Вселенной и модифицировать её основные параметры, такие как скорость расширения Вселенной или состав вещества. Если набраться храбрости, можно даже изменить законы квантовой механики и ввести другие способы взаимодействия частиц. Попробуйте! Может получиться прикольно! Правда, не забудьте, что для физика слово «прикольно» имеет значение, немного отличное от общепринятого.

Однако, сколько бы вы ни играли с параметрами ранней Вселенной, вам быстро станет ясно одно: в горячей и плотной среде Большого Взрыва образование элементов идёт крайне неэффективно. «Дейтериевое бутылочное горлышко» ставит жёсткий барьер на пути формирования тяжёлых ядер, и в результате нуклеосинтеза во Вселенной остаётся только главным образом водород, чуть-чуть гелия и еле заметные следы других элементов. Придётся-таки повозиться с составом ранней Вселенной, чтобы суметь радикально изменить эту ситуацию.

Космологи наконец осознали: Большой Взрыв, как мы его понимаем, не мог породить всего того разнообразия элементов, которое мы видим вокруг себя сегодня. Быстрое охлаждение Вселенной в процессе её расширения и замедляющее действие «дейтериевого бутылочного горлышка» означают, что после образования гелия и очень маленького количества лития Вселенная должна была выдохнуться. Космологи по-прежнему не могли понять, откуда взялись остальные элементы – углерод, кислород, золото, уран… Но нашлось другое очевидное место, где царили огромные температуры и плотности, необходимые для производства новых элементов, – недра звёзд! Однако физика, описывающая эти среды, была такой же странной и экзотичной, как физика самого Большого Взрыва. Требовалось ещё много работы с новыми уравнениями – и хорошие мозги, которые бы эту работу выполняли.

Итак, через первые несколько минут после Большого Взрыва космологическая ядерная печь погасла, и Вселенная продолжала расширяться и остывать. Остывало и оставшееся в ней излучение.

Часть 2

Квант космоса: настоящее

Как мы разгадали химию небес?

Эту главу мы начнём с обращения к истории.[34] В 1835 году французский философ Огюст Конт размышлял о природе Вселенной. Вывод его был неутешителен: состав небесных тел навеки останется тайной. В своём труде «Курс позитивной философии» он писал: «Что касается звёзд… мы никогда не сможем каким бы то ни было способом изучить их химический состав или минералогическую структуру».[35]

В науке предсказания – опасное дело. История полна примеров видения будущего, которые сейчас вызывают только смех. Как мы сейчас увидим, Конт тоже ошибся.

Почти за 200 лет до того, как он взялся за перо, великий учёный Исаак Ньютон сделал первые шаги к разгадке природы небес. В 1660-х в своей квартире в Колледже Св. Троицы в Кембридже он направил узких пучок солнечных лучей на стеклянную призму. К его изумлению, белый свет Солнца превратился в разноцветную радугу! Если присмотреться, такие маленькие радуги можно увидеть повсюду, где солнечный свет проходит через стекло, которое действует как призма.

В начале 1800-х баварец Иозеф фон Фраунгофер усовершенствовал искусство изготовления высококачественных призм и объединил их с телескопами. Расщепляя на составляющие свет ярких звёзд, он получил такие же радужные картины, какие давало Солнце. Может быть, Солнце и звёзды не так уж отличаются друг от друга?

По сравнению с сегодняшними правила техники безопасности в XIX веке были не слишком строгими, и, вероятно, именно работа с ядовитыми парами металлов способствовала ранней смерти Фраунгофера в возрасте 39 лет. Но за свою короткую жизнь, благодаря построенным им точным оптическим приборам он обеспечил гигантский прорыв в понимании строения звёзд. Исследуя полученные расщеплением солнечного света радуги – спектры, Фраунгофер обнаружил в них на разноцветном фоне множество тёмных линий и полосок. Хотя эти полосы в солнечном спектре 10 годами раньше уже отмечал Уильям Хайд Волластон, Фраунгофер начал составлять их систематическую карту, идентифицировав почти 600 индивидуальных линий.

Источник линий оставался тайной до 1850-х, когда появились работы Густава Кирхгофа и Роберта Бунзена. Они пропускали световые лучи через образцы различных газов, каждый раз расщепляя свет, прошедший сквозь газ, при помощи призмы. Прохождение света через газовую среду приводило к появлению в спектре тёмных линий, причём каждому газу строго соответствовал свой набор полос.

Стало ясно: тёмные линии в спектре Солнца возникали из-за присутствия в его атмосфере различных элементов, тех самых, что исследовались в лабораториях на Земле. К 1860-м пионеры звёздной спектроскопии, такие, например, как Уильям и Маргарет Хаггинс, выяснили, что более далёкие звёзды тоже сделаны из «земных» веществ.

Однако были и исключения. Некоторые астрономы вели наблюдения не только внешних слоёв Солнца, но и его протяжённой внешней атмосферы. Это было возможно, только когда ослепительно сияющее Солнце во время полного затмения загораживалось лунным диском. Тогда на месте тёмных полос вспыхивали яркие линии – Кирхгофф и Бунзен объясняли их эмиссией, то есть излучением света атомами тех же элементов. К удивлению учёных, в излучении солнечной атмосферы оказалась яркая жёлтая линия, которой никогда не наблюдали в лаборатории. Выходит, небесные тела, по крайней мере отчасти, всё-таки состоят из неземных веществ!

В 1860-х астроном Норман Локьер и химик Эдвард Франкленд предположили, что материал, соответствующий найденной яркой линии, есть и на Земле, просто ещё не открыт. Они допустили, что в периодической таблице элементов чего-то недостаёт, и назвали отсутствующий элемент гелием, в честь древнегреческого бога Солнца Гелиоса. К 1900 году учёные наконец получили этот элемент в лаборатории, а к 1903 году и добыли из-под земли – он содержался в каменной породе, откопанной в поле близ городка Декстер в Канзасе. Исследователи были уверены, что нашли то, что искали: они опознали новый элемент по его квантовым «отпечаткам пальцев», по той же линии, которая была уже найдена и на Солнце, и в лаборатории. Сегодня мы страдаем от недостатка гелия – этот устойчивый и лёгкий газ оказался незаменим и в магнитно-резонансной томографии (МРТ), и в производстве ракетных двигателей, и, наконец, в праздничных гирляндах воздушных шариков![36]

Пророчество Конта не сбылось. Благодаря спектроскопии мы узнали химический состав звезд и убедились, что небесные тела состоят из тех же элементов, что земные. Когда этот факт был установлен, Вселенная стала казаться гораздо менее таинственной.

Если «отпечатки пальцев» химических элементов в излучении звезд помогли нам детально разобраться в составе Вселенной, почему сами элементы, которым принадлежали эти отпечатки, оставались неизвестными? И почему картина полос одного элемента должна обязательно отличаться от картины другого? В последнее десятилетие XIX и первые годы XX века химики и физики пытались расщеплять атомы, вырывая у них секреты. Именно эта история и поможет нам понять, как астрономы сумели расшифровать элементный состав космоса.

Квантовая радуга

Глядя на радугу, вы, может быть, замечали, что некоторые её цвета выглядят ярче других. Отчасти это объясняется тем, что человеческий глаз – не идеальный приёмник; он больше чувствителен к одним цветам, чем к другим. Но верно и то, что в свете любого источника интенсивность каждого составляющего цвета обычно не одинакова. Спектроскопия – не просто использование призмы для разглядывания цветов, составляющих белый свет; её задача в том, чтобы измерить интенсивность каждого из этих цветов. В солнечном свете, который кажется человеческому глазу белым, на деле скрывается много цветов, у каждого из которых своя интенсивность. В этом и заключается результат работы спектрометра. Задайте поисковику слово «спектр», и вы получите целый букет красивых сочетаний всех цветов радуги. А вот если вы погуглите «спектр на выходе спектрометра», вам покажут лабораторные установки и таблицы интенсивностей. Конечно, они не такие яркие, как радужные картинки, зато содержат много информации и интригующих загадок. (Только не пробуйте проверять всё это, глядя через призму на Солнце! В любой книге, рассказывающей о наблюдениях Солнца, написано, что этого делать нельзя, так что не говорите, что мы вас не предупреждали!)

Тёмные линии в спектре солнечного света ставили учёных XIX века в тупик, но и остальные части спектра тоже вызывали вопросы. Почему цвета имеют строго определённые интенсивности? Эта загадка при ближайшем рассмотрении оказалась глубже, чем на первый взгляд. Ведь устойчивые спектральные закономерности были свойственны не только солнечному свету. Спектр любого раскалённого объекта, от расплавленного железа до горящего дерева, явно зависел от температуры, до которой вещество было нагрето. Чем бы оно ни было, но, стоило ему раскалиться до одной и той же температуры, в его спектре одинаковые цвета имели одну и ту же интенсивность. Как же можно было рассчитывать объяснить природу спектральных линий, если непонятно происхождение самих спектров?

Поиски объяснения природы спектра света, излучаемого горячими телами, происходили в рамках определённой теоретической модели. Теория говорила: тело испускает свет потому, что состоит из огромного количества колеблющихся зарядов. Откуда взялась такая гипотеза? К этому времени уже было известно: свет представляет собой колеблющиеся электромагнитные волны, порождённые колебаниями зарядов. Эти представления возникли и утвердились благодаря исключительно успешному применению созданной Максвеллом теории электромагнетизма. Скорость дрожания осциллятора определяла его энергию и цвет испускаемого им света. Так что задача выглядела относительно простой: найти принцип, в соответствии с которым осциллятор дрожит именно так, чтобы породить наблюдаемый спектр. В 1900 году эту задачу удалось, наконец, решить Максу Планку, о котором мы уже рассказывали во введении.

Хотя квантовая теория и космология внутренне глубоко взаимосвязаны, истории их развития пока что не увязаны с хронологией Вселенной, которую эти науки помогли установить. В нашем рассказе мы до сих пор двигались хронологически – от рождения Вселенной до сегодняшнего дня, но при этом мы перепрыгнули через всю историю научных открытий, которая привела нас к этой хронологии. Мы уже познакомились с теми, кто разрабатывал теорию квантов – с Эйнштейном, Гейзенбергом, Паули, Нётер – но теперь пора вновь поговорить об отце квантовой физики Максе Планке. О человеке, который получил Нобелевскую премию по физике с формулировкой «в знак признания его заслуг в прогрессе физики, состоявших в открытии им квантов энергии».[37]

Пора взглянуть поглубже на то, как Макс Планк положил начало квантовой революции. В 1900 году он выдвинул гипотезу квантов: энергия существует в виде дискретных порций, а не в виде непрерывных волн.[38] В то время как другие физики безуспешно пытались создать механизм образования характерного спектра излучения, Планк начал с того, что назвал «математическими фокусами». Одним из последних и было предположение, что энергия каждого осциллятора не может принимать любое произвольное значение, а должна составлять определённое количество дискретных единиц. Выходило, что существует наименьшая единица энергии – квант. Планку не нравилась эта идея – она шла вразрез с классической физикой, в рамках которой он получил образование. Но эта идея работала. Вскоре оказалось, что она распространяется и на другие необъяснённые явления. Это и было рождением квантовой физики.

Примерно в то же самое время начала проясняться структура атома. Тогда учёные знали только то, что у атомов есть плотное ядро с положительным зарядом, а электроны рассеяны вокруг него. Популярна была так называемая планетарная модель атома, в которой электроны обращались вокруг ядра по орбитам, как планеты вокруг Солнца. Даже сейчас, когда мы знаем, что эта картина не соответствует действительности, она в первом приближении остаётся полезной: в конце концов, мы и сегодня называем состояния электронов орбиталями. Невозможность такого представления об электронах была очевидна: движущиеся по орбитам частицы должны излучать энергию. Потеря энергии приведёт к тому, что электрон быстро потеряет скорость, почти мгновенно свалится на ядро – и атому придёт конец. Лучшая модель атома предполагала такую неустойчивость вещества, при которой оно вовсе не может существовать!

Перескочим к выводам

В то время мировым центром исследований по квантовой физике был Копенгаген – точнее, дом знаменитого датского физика Нильса Бора. Вдохновлённый квантовой гипотезой Планка, Бор предположил, что электрон не может занимать любую орбиту вокруг ядра – только определённые фиксированные орбиты. Так как электрон не может оказаться в пространстве между орбитами, он не излучает и не теряет энергию. Вещество снова стало устойчивым – по крайней мере, в теории.

Однако, хоть электрон и не может попадать в пространство между орбитами, он может менять орбиты – и делает это, совершая между ними скачки. Согласно модели Бора, он просто исчезает с одной орбиты и мгновенно возникает на другой. Однако между орбитами существует разность энергий. Куда же энергия электрона девается или откуда берётся? Она переходит в свет! Когда электрон перескакивает с более высокого энергетического уровня на более низкий, излучается квант энергии в виде света. Эта энергия связана с осцилляциями электрического поля, как и предсказывал Эйнштейн, когда применял квантовую гипотезу к свету. Таким образом, энергия света прямо пропорциональна его цвету. А так как существуют только определённые разрешённые уровни энергии, а все атомы одинакового вида идентичны, испускаемый ими свет всегда состоит из одного и того же дискретного набора цветов.

Например, если энергетически возбудить облако гелия, вскоре после этого оно начнёт испускать свет, но только определённых конкретных цветов – в определённых спектральных линиях. Энергии этих линий точно соответствуют разностям энергетических уровней, разрешённых моделью Бора. Разрешённые энергетические уровни различны для каждого элемента: у каждого из них своё ядро. Следовательно, «отпечатки пальцев» каждого элемента оставлены квантовыми «чернилами».

[34] Рождение астрофизики: подробное обсуждение того, как мы за одно столетие перешли от телескопов к космологии, можно найти в книге Малькольма Лонгэйра: Malcolm Longair, The Cosmic Century: A History of Astrophysics and Cosmology (Cambridge: Cambridge University Press, 2006).

[35] Оригинал: Auguste Comte, Cours de Philosophie Positive, Tome II (Paris: Bachelier, 1835). [Русский перевод: Огюст Конт, Курс положительной философии в 6 томах, Т.2, СПб, 1900 – Прим. пер.].

[36] Исчезающий гелий: об истощении его запасов см. Michael Greshko, “We Discovered Helium 150 Years Ago. Are We Running Out?”, National Geographic, August 17, 2018, https://www.nationalgeographic.com/ science/2018/08/news-гелий-mri-superconducting-markets-reserve-technology/.

[37] Оригинальный источник: “Teh Nobel Prize in Physics 1918” Nobel Media AB 2020, December 4, 2020, https://www.nobelprize.org/prizes/ physics/1918/summary/.

[38] Рождение квантов: подробный исторический анализ планковской гипотезы квантов можно прочесть в работе Clayton A. Gearhart, “Planck, the Quantum, and the Historians,” Physics in Perspective 4 (May 2002): 170–215, https://doi.org/10.1007/s00016-002-8363-7.