Совещаются ученые с мировыми именами: академики В.А. Амбарцумян, Я.Б. Зельдович, член-корреспондент Академии наук СССР (ныне – академик) В.Л. Гинзбург, профессора И.С. Шкловский, А.И. Лебединский, С.Б. Пикельнер и другие.
Первым выступает Амбарцумян. Подступая к важной проблеме, ученые обычно начинают издалека. В.А. Амбарцумян подробно рассказывает о развитии внегалактической астрономии после 20-х годов, когда выяснилось, что далекие космические объекты являются галактиками, подобными нашей. В довоенном периоде он отмечает два крупных события: открытие различных типов галактик (круглых, эллиптических и т.д.) и обнаружение красного смещения (разбегания галактик). Открытие сверхновых звезд, радиогалактик – крупное событие послевоенных лет. И вот, подступает Амбарцумян к главному, сенсация 1963 года. Открыт целый ряд компактных радиогалактик (название «сверхзвезды» он считает неудачным). Да, говорит он, они похожи на звезды. Но размеры их близки к размерам галактических ядер. А светимость, если придерживаться принятой классификации, сродни светимости самых компактных галактик. Таких, в которых свет ядра составляет больше чем половину света всей галактики в целом.
Возникает целый ряд теоретических проблем. И целый ряд догадок, гипотез, теорий. Мнение Амбарцумяна: сверхзвезды – это не звезды. Это результат взрыва какого-то неизвестного нам тела, бывшего в ядре галактики еще до взрыва.
Амбарцумян считает, что все свойства и все особенности галактик определяются ходом процессов, протекающих в их ядрах. До сих пор нам были известны несколько типов галактик, о которых было сказано выше. Теперь открыт новый тип. Он характеризуется необычайно мощным взрывом в области ядра галактики.
Пока неизвестно, возникают ли такие взрывы в определенный момент эволюции какого-то типа галактик или это редчайшие исключения из общих закономерностей.
Надо больше наблюдать, говорит он, строить мощные оптические и радиотелескопы, выводить их за пределы земной атмосферы. Может быть, только тогда нам удастся уточнить наши теории или заменить их новыми.
Вторым выступает Зельдович. Он напоминает о замечательном явлении гравитационного коллапса, которое является заключительной стадией эволюции звезд, масса которых превышает более чем в 1,5 раза массу Солнца. Это удивительное состояние уже погасшей звезды. Под действием сил тяготения вещество этих звезд сжимается до чрезвычайной плотности, а радиус звезды становится очень малым. При этом поле тяготения на поверхности коллапсирующей звезды в какой-то момент становится столь большим, что никакая частица, ни даже кванты света не способны преодолеть этого поля и покинуть звезду. Звезда «исчезает». Здесь нет ничего удивительного. Звезда, конечно, не перестает существовать, в ней продолжают бушевать сложные процессы, но никакие сигналы не могут вырваться оттуда, из непреодолимой гравитационной ловушки. Все это не выдумка фантаста, а следствие точных расчетов на основе теории относительности.
Далее Зельдович говорит, что сверхзвезда как раз и может быть звездой чрезвычайно большой массы в процессе гравитационного коллапса. Тогда спрашивается, откуда столь ослепительная ее яркость, если звезда исчезла? Все дело в процессах вокруг этой коллапсирующей звезды. Внутренние части ее уже могут скрыться в гравитационной ловушке, а вне ее огромные массы, например часть атмосферы, стягиваясь со скоростями, близкими к скорости света, к границам гравитационной ловушки, должны выделять огромные количества энергии. Это и свет и другие виды излучения.
Этого вполне достаточно для объяснения всех загадок сверхзвезд, однако строгая теория грандиозного явления еще не создана.
А затем Шкловский покрывает доску кружевом формул и демонстрирует оценки массы, энергии и других характеристик сверхзвезд. Он добавляет, что источники мощного излучения, названные сверхзвездами, могут не быть ни звездами, ни галактиками. Это могут быть очень сконцентрированные сгустки межгалактического вещества.
В заключение он говорит, что все сделанные им оценки и высказывания не могут считаться достоверными, так как они основаны на совершенно недостаточных наблюдательных данных. Основная задача ближайших лет – получение более полных и точных физических характеристик сверхзвезд.
Маститых ученых сменяют два совсем молодых кандидата физико-математических наук: Н.С. Кардашев – ученик Шкловского и И.Д. Новиков – сотрудник Зельдовича.
Кардашева занимает вопрос о том, какой процесс в сверхзвездах может породить энергию, большую, чем выделяющаяся в термоядерных реакциях. И он пробует исходить из гипотезы Гинзбурга, что виновником мощного излучения звезды могут быть ее магнитные поля, которые при ее вращении нарастают и усиливаются. Когда Кардашев провел расчет, оказалось, что его результаты хорошо сочетаются с той силой излучения звезды, которое наблюдается. Это говорит в пользу гипотезы, но все явление до конца не объясняет.
Сильное впечатление на присутствующих произвело выступление Новикова. Он начал с того, что напомнил, как 10 миллиардов лет назад начало расширяться первородное вещество, находившееся в состоянии огромной плотности, начало расширяться вещество всей метагалактики, которую мы видим. Представим себе, говорит он, что не все вещество начало расширяться одновременно. Отдельные сгустки, будущие ядра галактик, могли задержаться в своем развитии. Это допустимо, не правда ли? И вот задержавшееся вещество, начавшее через некоторое время тоже расширяться, вступает во взаимодействие с окружающей средой, и возникают бурные процессы, которые мы теперь и наблюдаем. Если до расширения был период сжатия, то и в этом случае все можно объяснить. В сжимающемся мире одна часть вещества сжалась быстрее, чем другая, и это тоже могло привести к наблюдаемым нами теперь очагам мощного излучения. Эта гипотеза полностью находится в рамках теории относительности, подчеркивает Новиков. Разрыв во времени между наблюдением и свершением тоже объясним. Можно выбрать такую систему отсчета времени, в которой эти два разновременных события могут считаться одновременными.
Надо сказать, что этот пункт особенно атаковался во время последовавшей затем дискуссии. Впрочем, весь тон дискуссий на подобных академических сессиях, посвященных острым, злободневным проблемам, обычно резко отличается от докладов. Стороннему наблюдателю поначалу часто кажется, что ничего особенного не происходит, идет очередная, немного вялая конференция. Выступления академичны, аргументированы. Каждый не спеша излагает свою точку зрения. Слушатели терпеливы. Если присутствующий и не знает, что сомнения приберегаются до поры до времени, что в такой аудитории не принято перебивать докладчика, возражать, спорить, дискуссия сразу же вовлекает его в водоворот страстей.
Выступил последний докладчик, и ситуация резко меняется. Ученые тянут руки, как прилежные ученики. Получивший слово хватает мел и торопливо, боясь, что прервут, забыв о регламенте, спорит с предыдущими ораторами. Тут уж не до чинов. Аспирант не согласен с академиком. Студент проясняет запутаннейший вопрос, профессор кричит с места: «Непонятно!» Собрание очень напоминало звезду в состоянии дискуссионного коллапса.
Гинзбург: Несомненно, сверхзвезды – это неизвестное нам явление. Это перенос проблемы за пределы нам понятного. Мы пытаемся объяснить это в рамках теории относительности, а они тесны. По-моему, дело в чем-то принципиально новом. Здесь мало объяснить детали механизма, здесь явно проявляются неизвестные еще нам законы природы. Конечно, гипотезы, о которых здесь рассказывалось, интересны, но, столкнувшись с таким явлением, как сверхзвезды, мы, возможно, встретились с незнакомым нам состоянием вещества, с проявлением его свойств. Космос – это та область, где мы можем столкнуться с неизвестными нам законами природы. Будьте бдительны!
Озорной клич нравится аудитории, она встречает его одобрительным смехом.
Зельдович: Мы не будем пренебрегать деталями механизма, но с удовольствием примем и новую теорию, если таковая все объяснит.
Лебединский: По-моему, столкновение двух звезд может быть вполне подходящим процессом для объяснения яркости, подобной яркости сверхзвезд. Две звезды вполне могут столкнуться по крайней мере раз в год, и в случае перехода всей энергии в излучение может возникнуть колоссальное излучение, которое мы наблюдаем.
Пикельнер: Когда мы говорим о сверхзвездах, мы имеем в виду их колоссальную массу, равную чуть ли не 100 миллионам солнечных масс. И строим все расчеты, опираясь на эту массу. Но кто поручится, что масса именно такова и наши расчеты правильны? Это, по-моему, слабое место в наших рассуждениях. Кроме того, гипотеза Новикова меня смущает тем, что не объясняет изменения яркости сверхзвезд.
Амбарцумян: Мне кажется очень важным то, что сказал Гинзбург. Действительно, все ли возможности мы используем для объяснения явления. Возможно, что и все, но из всех известных сейчас источников энергии для «питания» сверхзвезд может хватить только гравитационной энергии. Остальные источники, в том числе и ядерная энергия, недостаточны. А в рамках гравитационных процессов есть лишь две возможности – коллапс или антиколлапс, сжатие или расширение. Итак, коллапс или антиколлапс? Сжатие или расширение? Я говорил о расширении ядра галактики, о его взрыве. Насколько это подтверждается наблюдениями? Во всяком случае, они не разрешают дискуссию. Ведь наблюдения тоже в какой-то степени направлены, подготовлены тем, что мы от них ожидаем.
Шкловский: Идея Новикова очень изящна и привлекательна. Но я с ней не согласен. Вот вопрос: можно ли дать такую систему отсчета времени, в которой наши сегодняшние будни будут одновременными с началом мира?
Новиков: Может ли сегодняшнее время совпадать с гипотетическим взрывом первоматерии? Это хочет знать Шкловский? Да, можно написать такую систему отсчета времени.
Шкловский: Я этого не понимаю.
Новиков: Но это тем не менее возможно в рамках теории относительности. Я имею в виду, что можно выбрать такую систему отсчета времени, в которой то вещество, из которого произошли мы и наша аудитория, и вещество, задержавшееся, с нашей точки зрения, в своем развитии, расширяются в одно и то же время.
Зельдович: Гинзбург ставит вопрос об отходе от теории относительности, от современной физики. Я не согласен. Теория относительности – это сбалансированная система, совершенная, красивая. А если о красоте говорит физик, он имеет к тому основания. В теории относительности все гармонично. Работа Новикова хороша тем, что она выдержана в рамках теории. Она ее не отвергает. Конечно, вселенная в целом расширяется. Но было ли это один раз или больше? Конечно, это расширение идет из облака первородной материи, но откуда появилось это исходное вещество? Масса вопросов без ответов. Проблема сверхзвезд перерастает в большую космологическую проблему.
Как ни обескураживает некоторых ученых такая ситуация, но теория относительности пока не в состоянии распутать клубок сомнений, решить вопрос о сверхзвездах. Может быть, такое положение вещей временное и не сегодня-завтра теория выручит ученых, подскажется верное решение. А может быть, настал момент новых фундаментальных открытий, новых великих безумств. Будьте бдительны! Может быть, приближается день, когда теория относительности, мощная в сфере своего применения, будет дополнена вновь открытыми законами природы.
Это не значит, что теория относительности будет заменена какой-то иной системой знаний. Так же как классическая физика не была отменена с появлением теории относительности и квантовой теории, а их создание лишь расширило границы познания, так и будущие теории, не отменяя теории относительности и квантовой механики в границах их применимости, еще шире раздвинут возможности науки.
На пороге нового «безумия» (вместо заключения)
Каждый успех наших
знаний ставит больше
проблем, чем решает.
Луи де БРОЙЛЬ
Современная алхимия
Двадцатипятилетие, последовавшее за Брюссельским конгрессом 1927 года, было почти непрерывным триумфом квантовой физики. Трудности проникновения в молекулы и атомы сводились преимущественно к все возраставшей громоздкости вычислений.
Драмы разыгрывались главным образом в сокровенных глубинах атомного ядра и в связи с рождением (не всегда законным) новых частиц.
Прологом к ним послужили работы Резерфорда, который в 1919 году сумел разрушить атомное ядро, открытое им в 1911 году.
Впервые это произошло во время обычных опытов по изучению строения атома азота. Как всегда, исследуемые атомы подвергались бомбардировке альфачастицами (ядрами атомов гелия). По отклонению путей альфа-частиц, соударяющихся с исследуемыми атомами, можно было судить о строении этих атомов, в частности, о размерах их ядер. Но неожиданно Резерфорд обнаружил, что часть атомов азота, вместо того чтобы, подобно бильярдным шарам, отлетать после удара альфа-частиц, превращалась в атомы кислорода, а альфа-частицы при этом исчезали совсем и вместо них появлялись быстрые протоны. Это было поразительное открытие, заложившее основы новой алхимии. Сбылась мечта средневековья о трансмутации – превращении одних элементов в другие.
Следующее великое открытие в этой области в начале тридцатых годов сделали супруги Жолио-Кюри. Они, следуя за Резерфордом, получили искусственные радиоактивные элементы, которые распадались по тем же законам, что и естественные, но в отличие от естественных были легкими и располагались не в конце таблицы Менделеева, а вблизи ее начала.
Стало ясно, что ядра элементов не являются кирпичами мироздания. Казалось естественным возвратиться к гипотезе английского врача Проута, который на основе кратности атомных весов еще за сто лет до того предположил, что все элементы образуются из самого легкого из них – водорода.
Но так как с тех пор было обнаружено, что вес ядра растет быстрее, чем его заряд, то пришлось предположить, что в ядре имеются электроны, компенсирующие часть заряда, образованного протонами. Эти же электроны, по-видимому, играют в ядре «роль цемента», скрепляющего одноименно заряженные протоны, говорили физики. Без этого было невозможно объяснить устойчивость ядер.
Присутствие в ядре электронов подтверждалось и давно открытым фактом радиоактивного бета-распада. Многие радиоактивные ядра самопроизвольно распадаются с выделением электронов. Это само по себе позволяло предположить, что электроны присутствуют хотя бы в этих ядрах. Правда, возросшая точность эксперимента внесла в опыты с бета-распадом трагическую неясность. Во многих случаях такого распада измерения указывали на видимое нарушение закона сохранения энергии. Чем точнее удавалось измерить энергию исходного ядра, дочернего ядра и вылетевшего электрона, тем явственнее выступала нехватка. В процессе распада энергия, несомненно, исчезала совершенно непонятным путем.
В литературе появились работы, обсуждавшие возможность нарушения закона сохранения энергии в элементарных процессах. Но подавляющее большинство ученых скептически относилось к этим предположениям. Закон сохранения не может нарушаться ни при каких условиях, утверждали они, – это основной закон природы. Но факт оставался фактом, изменение баланса энергии при бета-распаде не позволяло свести концы с концами.
Выход указал молодой физик-теоретик Паули. Он предположил, что при бета-распаде из ядра вылетает еще одна частица, ускользающая от экспериментаторов. Она-то и уносит с собой ту часть энергии, которой не хватает для соблюдения баланса, для выполнения закона сохранения.
Паули подробно описал свойства этой гипотетической частицы: она нейтральна, поэтому ее нельзя зафиксировать так, как фиксируют заряженные частицы; она движется очень быстро, возможно со скоростью света, поэтому ее масса покоя мала, возможно равна нулю. Словом, это частица, которую очень трудно, а может быть, и невозможно обнаружить. В соответствии с ее свойствами она не должна была принимать участия ни в каких процессах, кроме бета распада.
Физики с трудом примирились с «появлением» новой частицы. Уж очень необычными должны были быть ее свойства. Трудно было поверить, что природа создала ее специально для участия в бета-распаде. Но сознание, что закон сохранения энергии незыблем, было сильнее этих сомнений, и ученые вскоре признали частицу Паули и ввели ее в семью элементарных частиц. Итальянский физик Ферми стал ее крестным отцом, дав ей имя нейтрино и создав на основе нейтрино последовательную теорию бета распада.
Благодаря протонно-электронной модели ядра все в микромире постепенно приобрело удивительную ясность. Имеются три кирпича мироздания: отрицательный электрон, положительный протон (масса которого примерно в две тысячи раз превосходит массу электрона) и нейтральный фотон (имеющий ничтожную массу, связанную с его движением). Эта частица не может остановиться, ибо ее масса покоя равняется нулю. Есть еще уродец нейтрино, но с этим можно было не считаться. Нейтрино не участвовали в мироздании. Рождаясь при сравнительно редких случаях бета-распада, они бесследно исчезали.
Из протонов, связанных электронами, образуются ядра атомов. Электроны, летающие вокруг ядер по устойчивым боровским орбитам, превращают атомы в законченные нейтральные конструкции со всем многообразием их физических и химических свойств. Фотоны рождаются и гибнут в процессах перескока электронов с орбиты на орбиту.