Коллайдер - [42]

В 1948 г. Георгий Гамов (уже сотрудник Университета им. Джорджа Вашингтона), подавая в печать свою с Гансом Алфером статью «Происхождение химических элементов», в качестве шутки вписал Бете в соавторы. Хотя истинными авторами являлись Алфер и Гамов, они прибегли к имени Бете, чтобы получилось созвучие с первыми тремя буквами греческого алфавита (альфа, бета, гамма). Иногда эту работу называют «алфавитной статьей».

Главной предпосылкой теории Алфера и Гамова о зарождении элементов является представление о том, что Вселенная возникла из невероятно плотного и сверхгорячего состояния, которое Фред Хойл прозвал Большим взрывом. (Хойл, будучи противником теории Большого взрыва, пытался выбрать название пообидней[20], но оно тем не менее прижилось.)

Гипотезу о том, что Вселенная когда-то была безумно маленькой, первым высказал бельгийский математик и священник Жорж Леметр. Серьезный фундамент под нее подвели наблюдения американского астронома Эдвина Хаббла, обнаружившего, что далекие галактики от нас удаляются, а следовательно, пространство расширяется. Алфер и Гамов предположили, что гелий, литий и более тяжелые элементы вышли из огненного горнила новорожденной Вселенной.

Как оказалось, они угадали с гелием, но ошиблись насчет других элементов. Молодая Вселенная действительно была достаточно разогрета, чтобы из водорода синтезировать гелий, но потом в процессе расширения она сильно охладилась и не смогла бы родить столько тяжелых элементов, сколько мы наблюдаем. Стало быть, углерод и кислород в растениях и животных идут не от Большого взрыва. А именно на роль котла, где варятся элементы тяжелее гелия, Хойл с тремя своими коллегами предложил адское пекло звездных ядер, которые после взрыва - вспышки сверхновой - выбрасывают эти элементы в космос.

Гамова сбила с толку сама возможность того, что за происхождение элементов могут отвечать два разных механизма. Верный своей юмористической манере, он выразил свою озадаченность и разочарование в пародии на библейский текст - поэме «Новая Книга Бытия».

«В начале, - гласит стих, - Бог создал излучение и илем (правещество)». Затем идет описание того, как Бог один за другим творит химические элементы, просто-напросто называя по порядку их массовые числа. К несчастью, на числе пять Бог запинается, подвергая опасности всю свою затею. Но вместо того чтобы начать заново, Он находит другой выход из положения: «И сказал Бог: “Да будет Хойл”… и повелел ему сделать тяжелые элементы так, как тому будет угодно»⁴⁵.

Несмотря на неудачу с тяжелыми элементами, теория Большого взрыва дала необычно плодотворное объяснение происхождения Вселенной. Важной вехой, добавившей в копилку теории доказательств, стало обнаружение в 1965 г. Арно Пензиасом и Робертом В. Вильсоном реликтового излучения. Наставленная ими в небо рупорная антенна независимо от направления регистрировала постоянный радиошум с температурой около 3 градусов выше абсолютного нуля (нижнего предела температуры). Изучив результаты этих наблюдений, ученый из Принстона Роберт Дикке продемонстрировал, что распределение и температура радиошума полностью согласуются с представлением о горячей расширяющейся Вселенной, которая со временем остывает.

В 1990-х и в 2000-х гг. на орбиту были запущены спутники СОВЕ («Спутник для изучения реликтового фона») и WMAP[21] («Зонд им. Уилкинсона для исследования анизотропии микроволнового фона»). Как видно из их названий, они занимались (WMAP до сих пор занимается) составлением подробной карты реликтового излучения. В частности, они позволили заметить, что хоть микроволновое излучение и невероятно однородное, оно испещрено горячими и холодными пятнышками - свидетельство того, что в ранней Вселенной уже содержались зачатки будущей структуры: звезд, галактик и остальных астрономических объектов. Эта карта температуры, отображенная в условных цветах, получила прозвище «детское фото Вселенной».

На «детском фото» запечатлена особая эпоха в истории Вселенной, отстоящая от Большого взрыва примерно на 300 000 лет. В «эпоху рекомбинации» электроны соединились с ядрами, образовав атомы. До этого момента электромагнитное излучение металось от одной заряженной частицы к другой, как шарик при игре в пинбол. Однако стоило отрицательно заряженным электронам остепениться и осесть возле положительно заряженных ядер, «игровой автомат» словно выключили, и помехи на пути излучения исчезли. Освобожденные от оков, горячие фотоны помчались по всей Вселенной, неся в себе слабый отпечаток распределения то чуть более, то чуть менее плотных скоплений атомов в космосе. С течением времени излучение остыло, а в более плотные области начало притекать вещество. Когда в них набралось столько водорода, что его ядра начали сливаться и дали старт стационарным цепным реакциям, зажглись первые звезды, которые стали излучать ядерную энергию в форме света и тепла.

Как появлялись звезды, планеты, галактики… - эти события небесной драмы интересуют прежде всего астрофизиков и астрономов. Что касается физиков, занимающихся элементарными частицами, их излюбленный вопрос - что было до рекомбинации? - относится к совсем уж незапамятным временам. Знание того, как вели себя фотоны, электроны, протоны, нейтроны и другие частицы, когда атомов не было и в помине, то есть в первые моменты жизни Вселенной, позволяет делать выводы о свойствах фундаментальных взаимодействий. Другими словами, ранняя Вселенная, как и коллайдер, представляет собой лабораторию высоких энергий. Данные с одного из приборов можно потом проверить на втором.