Марио Ливио - От Дарвина до Эйнштейна. Величайшие ошибки гениальных ученых, которые изменили наше понимание жизни и вселенной

Стационарная Вселенная

Вернемся к провокационному вопросу Голда: «А вдруг Вселенная как раз такая?», который относился к циклическому сюжету фильма «Глубокой ночью». Двум его коллегам такое предположение не показалось привлекательным, по крайней мере поначалу. Хойл тут же отбрил Голда: «Да мы еще до ужина разнесем эту гипотезу в пух и прах». Однако «прогноз» не оправдался. По словам Бонди, «Тем вечером мы засиделись за ужином дольше обычного, и довольно скоро все согласились, что такое решение очень и очень приемлемо»[351]. Правда, с этого момента Хойл стал подходить к проблеме с несколько иной стороны, чем его коллеги-ученые.

Точка зрения Голда и Бонди была основана на очень соблазнительной философской концепции. Если Вселенная и в самом деле развивается и меняется, рассуждали они, нет никаких причин, по которым мы должны считать, что законы природы всегда были одинаковыми. Ведь мы установили их, основываясь на опытах, которые проделывали здесь и сейчас. Кроме того, Бонди и Голд считали, что космологический принцип в его первоначальной формулировке ставил еще один вопрос. Он предполагал, что у наблюдателей, находящихся в разных галактиках по всей Вселенной, сложится одна и та же широкомасштабная картина космоса. Однако если Вселенная постоянно развивается во времени, значит, эти наблюдатели должны сравнивать свои наблюдения одновременно, а тогда нужно определить, что это значит – одновременно. Чтобы обойти все эти препятствия, Бонди и Голд предложили свой идеальный космологический принцип[352] – добавили к первоначальному условие, что в космосе нет никакого привилегированного времени: Вселенная выглядит одинаково из любой точки в любой момент.

Хотя Хойл решил идти совершенно другим путем, он считал, что интуитивный принцип Бонди и Голда вполне убедителен: кроме всего прочего, он позволяет решить и другую проблему, связанную с наблюдаемым расширением Вселенной. Темп расширения Вселенной, который определил Хаббл (как оказалось впоследствии, ошибочно), предполагал совершенно кошмарный сценарий, согласно которому Вселенная насчитывает всего 1,2 миллиарда лет – гораздо меньше, чем приблизительный возраст Земли! Так что, невзирая на колоссальный авторитет Хаббла («Целая жизнь, втиснутая в тридцатые и сороковые», по словам Бонди), Хойл, Бонди и Голд сочли, что нужно искать какое-то другое решение. Однако Хойл, в отличие от Бонди и Голда, применил скорее математический, чем философский подход[353]. В частности, Хойл развивал свою теорию на базе общей теории относительности Эйнштейна. Отталкивался он от факта, на который указывают наблюдения: да, Вселенная расширяется. Это тут же заставило задать следующий вопрос: если галактики все время разбегаются друг от друга, следует ли из этого, что пространство со временем пустеет? На это Хойл ответил категорическим «Нет». Напротив, он предположил, что по всему пространству постоянно создается новая материя, так что формируются новые галактики и скопления галактик – причем в таком темпе, что это компенсирует уменьшение плотности, вызванное расширением Вселенной. Таким образом, рассуждал Хойл, Вселенная сохраняет стабильность. Как-то раз он остроумно заметил: «Все так, как есть, поскольку все так, как было». Разница между стабильной Вселенной и Вселенной развивающейся (согласно теории Большого взрыва) схематически показана на илл. 28, где я снова прибег к аналогии с надувающейся сферой. В обоих случаях мы начинаем (вверху) с образца участка Вселенной, где галактики изображены маленькими кружочками. При эволюционном сценарии (слева) с течением времени галактики расходятся друг от друга (внизу слева), и общая плотность материи снижается. При стационарном сценарии создаются новые галактики, и средняя плотность остается прежней (внизу справа).

Илл. 28

Представление о том, что материя постоянно создается из ничего, на первый взгляд кажется диким. Однако, как не замедлил подчеркнуть Хойл, приверженцы космологии Большого взрыва тоже ведь не могли объяснить, откуда взялась материя. Единственная разница – в том, что по сценарию Большого взрыва вся материя создается одновременно в момент собственно взрыва, а по стационарной модели – образуется с постоянной скоростью в течение бесконечного времени, вот, например, прямо сейчас. Хойл отстаивал тут точку зрения, что концепция постоянного и непрерывного создания материи, будучи помещена в контекст конкретной теории, куда привлекательнее, чем идея создания Вселенной в отдаленном прошлом, поскольку такое представление предполагает, чтобы наблюдаемые явления возникли «по неизвестным науке причинам»[354]. Чтобы добиться стационарного состояния, Хойл добавил к уравнениям общей теории относительности Эйнштейна понятие «поля рождения», спонтанно создававшего вещество. Какое же вещество при этом возникало? Точно Хойл не знал, но предположил, что «Самый вероятный вариант – создание нейтронов. Последующий распад, пожалуй, обеспечил бы необходимый астрофизике водород. Более того, тогда была бы гарантирована электрическая нейтральность Вселенной»[355]. Темп, в котором должны были материализоваться из пустого пространства новые атомы, так невелик, что его невозможно наблюдать непосредственно. Как-то раз Хойл привел такое сравнение: «Примерно по одному атому раз в сто лет в объеме пространства, равном Эмпайр-Стейт-Билдинг».

Главным достоинством стационарного сценария было то, что эта теория была фальсифицируема, как и полагается любой хорошей научной теории. Вот как философ науки Карл Поппер описал свои представления о том, какой должна быть теоретическая система в естественных науках.

«…Мы не должны требовать возможности выделить некоторую научную систему раз и навсегда в положительном смысле, но обязаны потребовать, чтобы она имела такую логическую форму, которая позволяла бы посредством эмпирических проверок выделить ее в отрицательном смысле: эмпирическая система должна допускать опровержение путем опыта[356].

Стационарная модель предсказывала, что галактики, находящиеся от нас в миллиардах световых лет, с точки зрения статистики должны выглядеть точно так же, как и близлежащие галактики, даже если мы видим далекие галактики такими, какими они были миллиарды лет назад, поскольку именно за такое время доходит до нас их свет. Вот как Бонди критиковал модель развивающейся Вселенной (Большой взрыв): «Если Вселенная когда-то была совсем иной, чем сейчас, покажите мне ископаемые свидетельства того, какой она была давным-давно». Иначе говоря, если бы, например, оказалось, что очень далекие галактики выглядят в среднем совсем иначе, чем галактики по соседству с Млечным Путем, можно было сказать, что наша Вселенная находится в нестационарном состоянии.

Эволюция

Когда Хойл и независимо от него Бонди и Голд опубликовали свои статьи о стационарной Вселенной, то заставили астрофизическое сообщество выбирать между двумя очень разными точками зрения. С одной стороны, существовала модель Большого взрыва, согласно которой у Вселенной было начало, когда она была очень плотной и горячей (Леметр назвал это «первичным атомом»). В то время ярым сторонником этого сценария, кроме Леметра, был и Георгий Гамов. Как мы видели в предыдущей главе, Гамов даже думал, пусть и ошибочно, что при этом первоначальном космическом взрыве были созданы все химические элементы.

Альтернативой Большому взрыву была теория стационарной Вселенной с бесконечным прошлым и неизменными космическими декорациями (невзирая на расширение). Однако телескопам конца сороковых годов недоставало мощности, и с их помощью невозможно было пронаблюдать эволюционные тенденции, которые предполагала модель Большого взрыва. Когда Хойл в августе 1948 года наконец познакомился с Эдвином Хабблом, то был рад услышать от него, что уже проходят последние испытания самого большого на тот момент телескопа в мире – двухсотдюймового телескопа на горе Паломар в Калифорнии. Хаббл рассчитывал сразу после этого начать наблюдать отдаленные галактики. Однако, к сожалению, даже большое зеркало паломарского телескопа не могло собрать достаточно света от очень далеких ничем не примечательных галактик, поэтому сделать однозначный выбор в пользу одной из соперничающих теорий не удалось.

В октябре 1948 года Хойл, Бонди и Голд присутствовали на небольшой конференции Королевского астрономического общества в Эдинбурге. Всех троих пригласили поделиться соображениями о теории стационарной Вселенной. Хойл воспользовался случаем и впервые провел связь между неизменным самодостаточным космосом и жизнью.