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

Ливио Марио

Когда Хойл прочитал статью Солпитера, то первым делом страшно разозлился на самого себя за то, что выпустил из рук такие важные расчеты из-за недоразумения с аспирантом. Однако, пристально изучив весь комплекс ядерных реакций, Хойл оценил, что при условиях, которые предполагал Солпитер, весь углерод будет преобразовываться в кислород с той же скоростью, с какой он возникает, поскольку будет сливаться еще с одним ядром гелия. Вот как Хойл тридцать лет спустя описывал момент, когда ему в голову пришла эта важнейшая мысль: «“Бедняга Эд, не повезло”, – подумал я тогда [Эд Солпитер был на девять лет моложе Хойла] [310] ». Но было ли это приговором идее как таковой? Именно в таких ситуациях Хойл и проявлял свою невероятную интуицию в физике и ясность мысли. Начал он с очевидного: «Должен же ¹²C как-то синтезироваться!» Ведь углерод не просто сравнительно часто встречается во Вселенной, но и необходим для жизни. Мысленно оценив все возможные реакции, Хойл заключил: «Ничего лучше тройного альфа-процесса не придумать». Как же добиться, чтобы углерод не скатывался в кислород? По представлениям Хойла, этого можно было добиться только одним способом: «Тройной альфа-процесс должен идти гораздо быстрее, чем получается по расчетам [311] (выделено мной. – М. Л.)». То есть бериллий и гелий должны иметь возможность сливаться до того легко и проворно, что углерод успевает производиться быстрее, чем разрушается. Что же может так сильно подхлестнуть

темп синтеза углерода? Физики-ядерщики знали лишь один такой фактор – «резонансное состояние» ядра углерода. Резонансные состояния – это те значения энергии, при которых вероятность реакции достигает максимума. Хойл обнаружил, что в тех случаях, когда количество энергии ядра углерода идеально соответствует энергетическому эквиваленту суммы масс ядра бериллия и альфа-частицы (плюс кинетическая энергия движения), темп слияния бериллия с альфа-частицей существенно возрастает. То есть вероятность, что нестабильное ядро бериллия захватит ядро гелия (альфа-частицу) и образуется углерод, сильно возрастает. Однако Хойл не просто продемонстрировал, что резонанс – это хорошо. Он вычислил, при какой именно энергии ядра углерода возникает нужный эффект. Физики-ядерщики измеряют энергию в ядре единицами под названием МэВ – мегаэлектронвольт. Хойл вычислил, что для производства углерода [312] в том количестве, в котором он встречается в космосе, нужно резонансное состояние ¹²C с энергией примерно на 7,68 МэВ больше основного состояния ядра углерода. Более того, опираясь на уже открытые свойства симметрии ядер ⁸Be и ⁴He, Хойл предсказал симметрию этого резонансного состояния (а точнее, квантово-механические свойства под названием спин и четность).

310

Hoyle 1982, p. 3.

311

Ibid.

312

Хотя ранее уже выдвигались предположения относительно резонансов в окрестностях 7,4 МэВ, они так ни не подтвердились – и в любом случае, до Хойла никто не предлагал найти резонанс выше 7,5 МэВ.

Все это, конечно, производит сильное впечатление, если не принимать в расчет одной «мелкой» проблемы: науке не было известно подобное состояние! Сама идея, что Хойл сделал невероятно точное предсказание в области ядерной физики, опираясь на данные общей астрофизики (более того, оно было гораздо точнее, чем можно было бы сделать, исходя из данных самой ядерной физики), казалась тогда сущей нелепицей, однако дерзости Хойлу было не занимать.

Был январь 1953 года, Хойл взял творческий отпуск на несколько месяцев и проводил его в Калифорнийском технологическом институте. Вооружившись предсказанием доселе неизвестного уровня энергии для ядра углерода, Хойл пошел прямиком в кабинет Вилли Фаулера в лаборатории Келлога, чтобы узнать, не может ли Фаулер и его группа проверить его предсказание экспериментально. Эта встреча вошла в легенды. Фаулер вспоминал: «Пришел какой-то смешной человечек, который считал, что мы должны бросить все важные дела и заняться этим его спрогнозированным состоянием – ну, мы его и отшили. Уходите, юноша, вы нам мешаете» [313] .

313

Интервью Чарльзу Вейнеру из Американского физического института в феврале 1973 года. Цит. по Kragh 2010.

Самому Хойлу эта встреча показалась несколько более многообещающей.

«К моему удивлению, когда я объяснил, в чем трудность, Вилли не стал смеяться. Не помню, сразу он созвал ребят из Келлога [в число которых, помимо прочих, входили Уорд Уэйлинг, Уильям Венцель, Ноэль Данбар, Чарльз Барнс и Ральф Пиксли], через несколько часов или через день-два… После чего все согласились, что нужно провести новый эксперимент [314] .»

314

Hoyle 1982, p. 3.

В 2001 году во время интервью ни Уорд Уэйлинг, ни Ноэль Данбар не могли припомнить подробностей этой встречи [315] , однако Чарльз Барнс вспомнил, что в маленьком кабинете Вилли Фаулера было не протолкнуться и что «едва Фред изложил свои идеи, как на лицах слушателей явственно отразился скепсис. Даже Вилли был настроен скептически». Что именно произошло во время этой встречи, остается неясным, однако в результате «ребята из Келллога» и в самом деле решили провести эксперимент, а группу, располагавшую самыми хорошими средствами для его проведения, возглавил Уорд Уэйлинг.

315

Много лет спустя у участников сохранились несколько разные воспоминания о тогдашних событиях. Хороший обзор различных версий можно найти у Kragh 2010.

Уэйлинг, Данбар и их коллеги [316] решили подойти к проблеме при помощи бомбардировки ядер азота (¹⁴N) дейтерием (²H). В результате этой ядерной реакции получаются ядра углерода (¹²C) и альфа-частицы (⁴He). Тщательно исследовав энергию испускаемых альфа-частиц (и помня о законе сохранения энергии), исследователи сумели, с одой стороны, зарегистрировать испускаемые частицы с высокой энергией (оставлявшие углерод в основном состоянии низкой энергии), а с другой – выявить частицы, испускаемые с низкой энергией, поскольку тогда некоторое количество энергии оставалось в ядрах углерода. Полученные результаты были совершенно недвусмысленны. Не прошло и двух не недель, как группа экспериментаторов обнаружила резонанс в углероде при 7,68 МэВ (плюс-минус 0,03 МэВ) – что поразительным образом совпадало с предсказаниями Хойла! Результаты были описаны в статье [317] , занявшей чуть больше страницы, и начиналась она так: «Хойл объясняет первоначальное формирование элементов тяжелее гелия следующим процессом [слиянием бериллия с гелием]». А в заключение исследователи выражали благодарность Хойлу: «Мы обязаны профессору Хойлу тем, что он указал нам на большое значение подобного уровня энергии для астрофизики».

316

Об этом говорится также в нобелевской лекции Фаулера «Экспериментальная и теоретическая ядерная астрофизика. Поиск происхождения элементов» («Experimental and Theoretical Nuclear Astrophysics; the Quest for the Origin of the Elements»), 8 декабря 1983 года.

317

Результаты были описаны в статье, занявшей чуть больше страницы… Dunbar, Pixley, Wenzel, and Whaling 1953. Эта статья и ее значение описаны также у Spear 2002.

Несмотря на потрясающе точное предсказание [318] , Хойл понимал, что не время почивать на лаврах. Чтобы углерод и в самом деле сохранялся, требовалось, чтобы ядра подчинялись еще одному важному требованию: углерод не должен иметь возможность быстро захватить четвертую альфа-частицу, которая превратила бы все в кислород.

Иначе говоря, нужно убедиться, что у ядра кислорода нет резонансного состояния, которое могло бы ускорить реакцию «углерод плюс альфа-частица». И Хойл одержал окончательную и бесповоротную победу – показал, что такая резонансная реакция и в самом деле не происходит, поскольку соответствующий уровень энергии ядра кислорода примерно на один процент ниже, чем необходимый для создания резонанса.

318

Учитывая, что жизнь в том виде, в каком мы ее знаем, основана на углероде, много говорилось об «антропном» значении резонансного уровня углерода. Этот вопрос выходит за рамки настоящей книги. Должен отметить, что в 1989 году мы с коллегами показали, что даже если бы уровень энергии был несколько иным, звезды все равно производили бы углерод (Livio et al. 1989). Впоследствии этот вывод был подкреплен более детальными работами Хайнца Оберхуммера и его сотрудников (Schlattl et al. 2004). Подробный разбор см. у Kragh 2010.

Казалось бы, заручившись подобным козырем, Хойл должен был бы немедленно заявить миру о своем открытии. Но на самом деле прошло более полугода [319] с момента, когда его предсказание подтвердилось, и лишь тогда Хойл выступил с кратким сообщением на конференции Американского физического общества в Альбукерке. Да и в последующие годы Хойл не придавал своему выдающемуся открытию особого значения. В 1986 году он заметил:

«В каком-то смысле это были мелочи. Но поскольку с точки зрения физиков это выглядело как необычайно успешное предсказание, оно оказало непропорционально сильное воздействие – заставило их отказаться от общепринятого тогда представления, что все элементы синтезировались в первые мгновения существования Вселенной при очень больших температурах, и смириться с более скучной мыслью, что элементы синтезируются в звездах [320] .»

319

Hoyle et al. 1953.

320

Hoyle 1986b, p. 449.

Другим, правда, не казалось, что это такие уж «мелочи». Когда неистовый Георгий Гамов решил кратко подытожить собственные представления о роли Хойла в теории формирования элементов, то выбрал для этого затейливую литературную форму и назвал свое сочинение «“Бытие” на новый лад»:

«В начале сотворил Бог излучение и илем. Илем же был безвиден и неисчислим, и нуклоны носились над бездною. И сказал Бог: да будет масса два. И стала масса два. И увидел Бог дейтерий, что он хорош. И сказал Бог: да будет масса три. И увидел Бог тритий и тральфий [так Гамов прозвал изотоп гелия ³He], что они хороши. И называл Бог число за числом, пока не дошел Он до трансурановых элементов. И увидел Бог все, что Он создал, и вот, нехорошо весьма. Так увлекся Он счетом, что позабыл объявить массу пять – и, естественно, более тяжелые элементы не могли образовываться. Бог был очень расстроен и сначала хотел сжать Вселенную обратно и начать все с начала. Но это было бы слишком просто. Посему, будучи всемогущим, Бог решил исправить ошибку Свою самым невозможным способом.

И сказал Бог: да будет Хойл. И стал Хойл. И увидел Бог Хойла… и повелел ему создавать тяжелые элементы, как только пожелает. И Хойл решил создавать тяжелые элементы в звездах и распространять их при помощи взрывов сверхновых. Но при этом он должен был подчиняться тому же закону распространенности элементов, который получился бы при нуклеосинтезе из илема, если бы Бог не забыл провозгласить массу пять. И так, с помощью Божией, создал Хойл тяжелые элементы таким способом, но был этот способ так сложен, что теперь ни Хойл, ни Бог – никто не понимает, как это получилось на самом деле. [321] »

321

Gamow 1970, p. 127. На самом деле Гамов хотел высказать возражения против модели стационарной вселенной Хойла, Бонди и Голда, о которой говорится во главе 9, однако все же признал достижения Хойла.

Обратите внимание: согласно «“Бытию” на новый лад» совершать ляпсусы случалось даже Богу!

Королевская академия наук Швеции тоже не считала, что предсказание Хойла – это «мелкие подробности». В 1997 году она решила присудить Хойлу и Солпитеру престижную премию Крафорда «за первопроходческие результаты в изучении ядерных процессов в звездах и звездной эволюции». Объявляя о своем решении, Академия отмечала: «Вероятно, главнейшее его [Хойла] достижение в этой области – это статья, где он показал, что существование углерода в природе предполагает наличие определенного возбужденного состояния ядра углерода. Впоследствии это предсказание было подтверждено экспериментально» [322] .

322

The Crafoord Prize 1997 press release.

Вслед за статьей об уровне энергии ядра углерода Хойл опубликовал статью, где были заложены основы теории звездного нуклеосинтеза – концепции, согласно которой большинство химических элементов и их изотопов синтезируются из водорода и гелия посредством ядерных реакций в недрах массивных звезд. В этой статье, которая вышла в свет в 1954 году [323] , Хойл объяснил, что распространенность тех или иных тяжелых элементов, которую мы наблюдаем сегодня, – это прямой результат звездной эволюции. Звезды проводят жизнь в непрерывной борьбе с гравитацией. В отсутствие противодействующих сил гравитация заставила бы любую звезду схлопнуться к центру. А «разжигая» у себя в недрах ядерные реакции, звезды создают сверхвысокие температуры, а возникающее в результате высокое давление помогает звездам сопротивляться воздействию собственного веса. Хойл писал о том, что когда кончаются все виды ядерного топлива в центре звезды (сначала водород перегорает в гелий, потом гелий в углерод, потом углерод в кислород и т. д.), гравитационное сжатие вызывает повышение температуры в недрах звезд – и тогда запускается следующая ядерная реакция. Хойл заключил, что таким образом в ходе каждого из последовательных эпизодов горения в ядре синтезируются все элементы вплоть до железа. Поскольку ядро звезды после каждого такого эпизода уменьшается в размере, звезда приобретает структуру, похожую на луковицу, где каждый слой состоит из основного продукта, если хотите, «пепла» от предыдущей ядерной реакции (илл. 21). Поскольку ядро железа стабильнее всех других, как только формируется железное ядро звезды, энергия от слияния атомных ядер в более тяжелые перестает поступать. Без источника внутреннего жара звезда не может сопротивляться гравитации, и ее ядро схлопывается – и при этом происходит мощный взрыв. Такие взрывы, так называемые взрывы сверхновых, с необычайной силой выбрасывают все «выплавленные» элементы в межзвездное пространство, где они обогащают газ, из которого формируются дальнейшие поколения звезд и планет. Температуры, которые при этом достигаются, так высоки, что элементы тяжелее железа формируются при бомбардировке звездного вещества нейтронами. Сценарий Хойла и в наши дни остается масштабной картиной, изображающей эволюцию звезд. Как ни странно, эта статья, заложившая основы теории звездного нуклеосинтеза, в свое время не привлекла особого внимания, вероятно, потому, что была напечатана в астрофизическом журнале, к тому же новом, с которым сообщество физиков-ядерщиков еще не было знакомо.

323

Hoyle 1954.