Бог. Наука. Доказательства: Начало революционных открытий

То, как ученый мир встретил концепцию Большого взрыва, стало полной противоположностью явлению, которое она описывает: не наблюдалось ни всеобщего озарения, ни взрыва энтузиазма, ни переворота в умах, пораженных доказательствами. Эта идея преодолела долгий путь, отмеченный поначалу презрением, поворотами вспять и непрерывным поиском альтернативных сценариев, как будто некоторые исследователи опасались метафизических последствий изначальной сингулярности[34].

Однако первой жертвой Большого взрыва стал громадный пласт предубеждений и априорных суждений о Вселенной.

I. Большой взрыв и рождение космологии ХХ века

Как мы уже упоминали, до Эйнштейна и до 1915–1925 годов космологию просто не считали наукой. В начале ХХ века поводов для дискуссий не было: большинство ученых рассматривали Вселенную как вечную, неизменную, необъятную, не имеющую временны́х и пространственных границ. Идея, что в ней могли происходить серьезные изменения, не заслуживала даже статуса гипотезы.

Эту уверенность вскоре поколебали открытия одного молодого ученого.

Для Альберта Эйнштейна – молодого и никому не известного сотрудника Бернского патентного бюро – 1905 год стал annus mirabilis (’годом чудес’), который ознаменовался взрывом новаторских теорий. Эйнштейн опубликовал четыре статьи в журнале Annalen der Physik. В третьей из них – «Об электродинамике движущихся тел» – исследователь сделал вывод, что скорость света – константа и абсолют, который в нашей Вселенной невозможно превысить, а время и пространство, напротив, относительны, способны сжиматься или расширяться в зависимости от точки наблюдения. Это была настоящая концептуальная революция. Окончательно завершив анализ в 1915 году, Эйнштейн представил свою теорию гравитации, названную общей теорией относительности, которая внесла изменения в теорию всемирного тяготения Исаака Ньютона и включила ее в себя. Ученый предположил, что пространство, время и материя взаимосвязаны и что присутствие материи или энергии искажает пространство-время. Таким образом, с точки зрения релятивистской теории планеты не вращаются вокруг Солнца, а движутся прямолинейно, но в пространстве, локально искривленном гравитационным полем Солнца.

Научный мир шокировали эти смелые идеи. Но еще большее потрясение он испытал, когда концепции получили подтверждение в результате экспериментов. Первым измерил кривизну пространства великий астроном сэр Артур Эддингтон. В 1919 году во время солнечного затмения он наблюдал изменение видимого положения звезд, визуально близких к Солнцу. Ученый сумел с большой точностью доказать, что угол отклонения соответствует расчетам Эйнштейна для данной массы Солнца.

Искажение пространства-времени подтвердилось в 1954 году, за год до смерти Эйнштейна. На борту реактивного самолета, находившегося высоко над землей, то есть в ослабленном гравитационном поле, установили атомные часы. Измерения, произведенные по окончании полета, показали, что часы ушли вперед на несколько миллионных доли секунды по сравнению с такими же часами, находившимися на земле. Это продемонстрировало правильность идеи о локальном замедлении времени в гравитационном поле.

В начале 1960-х годов удалось доказать кажущееся замедление местного времени движущегося объекта с точки зрения внешнего наблюдателя. Некоторые вторичные частицы космических лучей, образующиеся в верхних слоях атмосферы, имеют настолько короткий срок жизни, что их нельзя наблюдать на малых высотах. Тем не менее благодаря высокой скорости частиц это возможно. И результаты показывают, что с точки зрения наблюдателя, неподвижного относительно земной массы, продолжительность жизни этих частиц увеличивается.

Факты – упрямая вещь, и все они поддерживают теорию относительности Эйнштейна. Поэтому космология может развиваться на новой, но уже хорошо зарекомендовавшей себя основе.

В 1921 году еще больше возрос авторитет Эйнштейна, удостоенного Нобелевской премии по физике за исследования фотоэлектрического эффекта – и это не считая уже частично подтвержденных гипотез теории относительности. Но из теории Эйнштейна следовала априорно нестабильная картина Вселенной, что для ученого было немыслимо. Поэтому в 1917 году он без малейшей необходимости добавил в свои уравнения дополнительный параметр – космологическую постоянную, которая стала опорой для поддержки идеи стабильной Вселенной, так как для Эйнштейна ни одна другая гипотеза не была верной. Обнародовав свои новые идеи, он решился на огромный концептуальный скачок, но оказался не готов к следующему шагу, в соответствии с которым Вселенная тоже эволюционировала. Для этого шага потребовалась смелость молодого российского исследователя.

Идея расширяющейся Вселенной была для Эйнштейна немыслимой, поэтому в целях поддержки модели статичной Вселенной он предложил космологическую постоянную

Уже в 1922 году молодой русский космолог Александр Фридман, которому только исполнилось 33 года, поставил под сомнение необходимость космологической постоянной. Взяв за основу работы самого Эйнштейна, Фридман опубликовал первую теорию расширяющейся Вселенной и отправил статью по почте автору теории относительности[35]. Эйнштейн в частном письме отреагировал очень резко:

«Разговоры о расширении меня раздражают! Признание подобной возможности кажется мне безумием!»

Затем Эйнштейн написал лаконичное письмо, опубликованное в ведущем журнале теоретической физики того времени Zeitschrift für Physik, заявив об ошибках в вычислениях:

«Результаты относительно нестационарной Вселенной, содержащиеся в работе Фридмана, кажутся мне очень подозрительными. Предложенное решение в действительности не удовлетворяет уравнениям поля»[36].

Фридмана очень задел ответ, суть которого исследователь так и не понял. Молодой ученый снова взялся за перо, чтобы спросить именитого коллегу, в чем заключалась ошибка, но оппонент письмо проигнорировал. К счастью, одному из друзей Фридмана, Юрию Круткову, удалось с помощью своего бывшего профессора физики Пауля Эренфеста, друга Эйнштейна, снова поднять проблему в 1923 году. На этот раз Эйнштейн сделал поправку: нет, Фридман не ошибся. Хотя Эйнштейн по-прежнему не признавал идею расширяющейся Вселенной, он честно опубликовал опровержение собственной статьи, признав, что расчеты Фридмана верны и что они открывают новые направления исследований. К сожалению, Фридману не удалось продолжить свою работу: он умер два года спустя от тифа.

Александр Фридман (1888–1925)

Несколько лет спустя, в 1927 году, новым направлением исследований заинтересовался католический священник и малоизвестный молодой ученый Жорж Леметр, получивший докторскую степень в Массачусетском технологическом институте. Леметр тоже изучал работы Альберта Эйнштейна и опубликовал в «Анналах Брюссельского научного общества» диссертацию «Однородная Вселенная постоянной массы и возрастающего радиуса, объясняющая радиальные скорости внегалактических туманностей», в которой изложил теорию расширения Вселенной. Леметр очень точно рассчитал зависимость между скоростью и расстоянием до других галактик. В 1929 году эту гипотезу подтвердил Эдвин Хаббл[37] с помощью нового телескопа обсерватории Маунт-Вилсон, оснащенного зеркалом диаметром 2,54 метра – на тот момент самым большим в мире.

Работа Жоржа Леметра наделала много шума. Альберт Эйнштейн прочел ее с интересом, но не отказался от своего взгляда на идею расширения Вселенной: «Ваши расчеты верны, но ваша физическая интуиция никуда не годится»[38], – отметил он в 1927 году во время одного из знаменитых сольвеевских конгрессов в Брюсселе, на который собралась элита физиков той поры[39]. В частных беседах Эйнштейн даже с иронией называл работы Леметра «физикой священника»[40]. Да и почти все ученые того времени не воспринимали эту гипотезу. Сэр Артур Эддингтон, бывший учитель Жоржа Леметра, считал расширение Вселенной «настолько абсурдной и невероятной идеей, что в нее вряд ли кто-то мог поверить»[41].

Жорж Леметр (1894–1966), священник и космолог. Он терпел насмешки Эйнштейна и некоторых его коллег. Позже им пришлось признать точность теории Леметра о расширении Вселенной

Установленный в 1917 году в обсерватории Маунт-Вилсон телескоп Хукера с зеркалом диаметром 2,5 метра оставался самым большим в мире вплоть до 1949 года

В 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл сделал открытие, полностью изменившее ситуацию: он заметил, что свет, исходящий от далеких галактик, постоянно смещается в направлении красной части электромагнитного спектра. Это смещение могло объясняться только эффектом Доплера и указывало, что источники света удаляются от нас. Замеченная Хабблом закономерность заключалась в том, что скорость разбегания галактик зависела от расстояния до них. В результате ученый пришел к выводу, что все галактики удаляются друг от друга. Это наблюдение подтверждало расширение Вселенной, предсказанное в 1922 году Фридманом и в 1927 году Леметром на основе общей теории относительности Эйнштейна. «Из всех предсказаний, которые наука когда-либо делала на протяжении веков, – писал Джон Уилер, – можно ли встретить другое столь же великое, как это? Было предсказано не только правильно, но и вопреки всеобщим ожиданиям такое фантастическое явление, как расширение Вселенной!»[42]

Телескоп обсерватории Маунт-Вилсон

Эйнштейн и Хаббл в обсерватории Маунт-Вилсон

Это очень точное наблюдение было настолько убедительным, что уже через несколько лет позиция ученых полностью изменилась. Альберт Эйнштейн в 1931 году съездил в обсерваторию Маунт-Вилсон, где побеседовал с Эдвином Хабблом и признал, что введение в расчеты космологической постоянной из-за собственных философских предубеждений было его «самой большой ошибкой в жизни»[43]. Сэр Артур Эддингтон тоже радикально поменял свое мнение, открыто заявив, что наконец увидело свет первое серьезное космологическое подтверждение расширения Вселенной. Жорж Леметр купался в лучах славы и получал награды. В 1933 году американские газеты назвали его лидером новой космологической физики. В 1934 году Леметр получил премию Франки – высшую научную награду Бельгии. Однако всеобщее признание феномена расширения Вселенной вовсе не означало столь же единодушного отношения к вопросу ее начала, скорее наоборот. Однако, если просмотреть события в обратном направлении, разве логика не приведет нас к Большому взрыву?

Признание расширения Вселенной не могло остаться без последствий для исследований, связанных с ее происхождением. Этот момент не ускользнул от Жоржа Леметра, чье открытие имело двойную направленность. Высказав теорию расширения Вселенной, ученый в 1931 году выдвинул гипотезу[44], которая показалась тогда еще более невозможной. Согласно предположениям Леметра, Вселенная имела начало и произошла от «первобытного атома». Этот атом, появившись внезапно, объединил всю материю и энергию во Вселенную и стал причиной возникновения пространства и времени. Именно тогда и началась фаза расширения: «Мы можем представить, что пространство началось с первобытного атома и что начало пространства ознаменовало начало времени»[45]. Это заявление вызвало активные протесты.

Человека, которого только недавно все восхваляли как гения за идею расширения Вселенной, вдруг стали называть безумцем за тезис о первобытном атоме.

Новая теория, предложенная Жоржем Леметром, выглядела настолько неожиданной, что о ее признании не могло быть и речи. Столкнувшись с очередной революционной идеей, ученые оказались перед концептуальным барьером, за который не решались заходить. «С философской точки зрения я нахожу идею начала в нынешнем порядке природы никуда не годной»[46], – заявил Артур Эддингтон, который считал гипотезу Леметра «отталкивающей». Альберт Эйнштейн каждый раз, как только слышал о первобытном атоме, восклицал: «Нет, только не это, уж слишком напоминает о сотворении мира!»[47]

Жоржу Леметру пришлось пострадать и из-за сана священника, который дал повод для обвинений в пристрастности взглядов. Ученого подозревали в желании примирить религию с наукой и в стремлении согласовать теорию происхождения Вселенной с библейской историей творения ex nihilo, то есть ’из ничего’[48]. Правда, люди забыли, что теоретик гелиоцентризма Николай Коперник и отец генетики Грегор Мендель были, соответственно, каноником и католическим монахом. Одежда не делает из человека монаха, но и принадлежность к церкви не отменяет ученого. Тем не менее для атеистов теория Большого взрыва сразу же стала идеей, которую следовало опровергнуть.

В 1947 году флаг сопротивления теории первобытного атома подхватил Фред Хойл, известный английский астрофизик. Он выступал против всего, что хотя бы намекало на акт творения, и отстаивал тезис так называемой стационарной Вселенной. По мнению Хойла, бесконечная вечная и очень медленно расширяющаяся Вселенная должна была иметь постоянную плотность, а это исключало появление новых галактик «из ничего». Хойл начал кампанию дискредитации и высмеивания идей Жоржа Леметра в таких средствах массовой информации, как Times и BBC.

Долгое время остававшийся в тени Георгий Гамов был одним из многих учеников Александра Фридмана. В 1933 году Гамову удалось уехать из СССР в США благодаря участию в научной конференции. В 1948 году он вместе со своим аспирантом Ральфом Алфером опубликовал фундаментальную статью, объяснявшую, что атомы водорода, гелия и дейтерия могли возникнуть только в самые первые минуты зарождения Вселенной. Кстати, в числе соавторов Гамов указал также Ханса Бете, будущего лауреата Нобелевской премии по физике. На самом деле Бете в написании статьи не участвовал, но стоявшие под ней три фамилии ассоциировались с начальными буквами греческого алфавита (альфа, бета и гамма). Вот такой вот научный юмор.

Продолжив совместные исследования с Гамовым, Ральф Алфер с помощью Роберта Хермана пришел к выводу, что первый свет, появившийся во Вселенной, должен был соответствовать электромагнитному излучению, испускаемому черным телом, которое находилось в тепловом равновесии при температуре 3000 °C. Остатки этого излучения должны обнаруживаться в любой точке Вселенной даже сегодня при температуре в 1000 раз ниже, поскольку Вселенная сейчас в 1000 раз больше[49]. Далее Алфер подсчитал, что это излучение должно иметь спектр, равный 5 K (в микроволновом диапазоне частот). Выводы, которые Гамов представил в книге «Сотворение Вселенной», остались почти незамеченными, поскольку большинство космологов не придали им значения.

Президент Королевского астрономического общества Фред Хойл был одним из самых яростных противников теории Александра Фридмана и Жоржа Леметра, дополненной Георгием Гамовым. Чтобы высмеять оппонентов, Хойл придумал выражение «Большой взрыв», которое впервые использовал во время интервью на радиостанции BBC в 1949 году. Например, отца Жоржа Леметра, приехавшего на конференцию в Пасадене в 1960 году, Хойл назвал «человеком времен Большого взрыва»[50]