Горячая Вселенная или Большой Взрыв

Гамов никогда не забывал космологию, науку своей ленинградской юности. Он вплотную взялся за нее в 1946 году, за два года до Лос-Аламоса, и посвятил этому больше десяти лет. Целью было "скрестить космологическую науку с ядерной физикой" (по его собственному выражению). Один "мичуринский" эксперимент такого рода он уже успешно осуществил ранее: привил ядерную физику на древо астрономии - это работы по ядерным источникам энергии звезд. Тогда он шел по стопам Эддингтона, а зрелый плод всей деятельности достался Бете.

В космологии же у него не было "ядерных" предшественников; он начал первым и все довел до конца. А в награду за смелую и изящную идею получил самое лучшее, что только мог ожидать, - известие об открытии предсказанного им реликтового излучения.

Основа теории Гамова - картина расширяющейся Вселенной, построенная его учителем Фридманом. По Фридману, вначале был взрыв. Он произошел одновременно и повсюду во Вселенной, заполнив пространство очень плотным веществом, из которого через миллиарды лет образовались наблюдаемые тела Вселенной - Солнце, звезды, галактики и планеты, в том числе Земля и все что на ней. Гамов добавил к этому, что первичное вещество мира было не только очень плотным, но и очень горячим.

Удивительно, но факт: сам Гамов считал, что идея горячего начала мира принадлежит не ему, а Фридману. Не трудно, однако, убедиться, что в обеих космологических работах Фридмана нет ни слова о температуре ранней Вселенной. Скорее всего, в окружении Фридмана идея высокой температуры в самом начале космологического расширения при высокой плотности вещества считалась естественной и даже тривиальной. В конце концов, не даром же "при расширении тела охлаждаются, а при сжатии нагреваются", как сказано в нашем любимом школьном учебнике физики.

Идея Гамова состояла в том, что в горячем и плотном веществе ранней Вселенной происходили ядерные реакции, и в этом ядерном котле за несколько минут были синтезированы все химические элементы, из которых и состоит теперь все на свете.

Расчеты ядерных превращений в условиях расширяющейся космической среды требовали немалых усилий, и Гамов привлек к ним своих аспирантов Ральфа Альфера и Роберта Хермана - талантливых молодых людей (из семей с российским корнями, между прочим). Первая публикация, подготовленная Гамовым и Альфером, появилась в печати в 1948 году под... тремя именами: Альфер, Бете, Гамов. Это, пожалуй, самая знаменитая шутка в истории физики. В уже готовый текст Гамов вписал имя Бете с пометкой "in absencia" (которая при дальнейшей обработке в редакции почему-то пропала). Так возникла работа, ставшая сразу же знаменитой под названием αβγ-теория.

Самым эффектным результатом этой теории стало предсказание космического фона излучения. Электромагнитное излучение должно было, по законам термодинамики, существовать вместе с горячим веществом в "горячую" эпоху ранней Вселенной. Оно не исчезает при общем расширении мира и сохраняется - только сильно охлажденным - и до сих пор. Гамов и его сотрудники смогли ориентировочно оценить, какова должна быть сегодняшняя температура этого остаточного излучения. У них получалось, что это очень низкая температура, близкая к абсолютному нулю. С учетом возможных неопределенностей, неизбежных при весьма ненадежных астрономических данных об общих параметрах Вселенной как целого и скудных сведениях о ядерных константах, предсказанная температура должна лежать в пределах от 1 до 10 Кельвинов. В 1950 году, в одной научно-популярной статье (Physics Today, No. 8, стр. 76) Гамов объявил, что скорее всего температура космического излучения составляет примерно 3 Кельвина.

Прошло 15 лет, и американские радиоастрономы Арно Пензиас и Роберт Вилсон открыли космический фон излучения и измерили его температуру: она оказалась равной 3 Кельвинам! Это было самое крупное открытие в космологии со времен открытия Эдвином Хабблом в 1929 году общего расширения Вселенной (предсказанного Фридманом в 1922-24 гг.).

Пензиас и Вильсон ничего не знали о теории Гамова. В их первой статье нет ни слова о космологии. Не только они, радио-инженеры по исходной специальности, но и многие физики и астрономы в США далеко не сразу уяснили настоящий смысл открытия. И тем более далеко не все понимали, что открыто именно то, что предсказывали Гамов и его ученики. Среди отечественных специалистов никаких сомнений не было с самого начала; Я.Б. Зельдович, даже еще не дождавшись самой статьи, только зная о ней "по слухам", сразу сказал: Доказано горячее начало Вселенной, а холодная Вселенная (его собственная гипотеза) была ошибкой.

В американском научном сообществе было немало споров, иногда принимавших, как рассказывают, крутой оборот; биться было за что. Гамову оставалось три года жизни, и он успел победить в этих спорах и столкновениях. На Техасском симпозиуме 1967 года в Нью-Йорке все, кажется, стало на свои места, и Гамов принимал поздравления коллег, праздновал успех. Увы, советские участники конференции, которым все давно уже было ясно, победителя не поздравляли и вообще не входили с ним в личный контакт (если не считатать одного из них, имя которого вряд ли заслуживает упоминания здесь). По их впечатлению, Гамов был к концу симпозиума, как говорится, не то чтоб очень пьян, но весел бесконечно.

Через десять лет после его смерти Пензиас и Вилсон получили Нобелевскую премию. Эту премию разделил с ними П.Л. Капица; их работы объединили по признаку низких температур.

С открытием реликтового излучения в космологии начался настоящий расцвет, который (с некоторыми перебоями) продолжается уже почти четыре десятилетия. Интенсивная работа, в которой участвовали фактически чуть ли не все ведущие физики и астрономы, а также и молодые активно работающие теоретики и наблюдатели во всем мире, быстро привела к созданию на основе идей Гамова и новых наблюдательных данных весьма полной и надежной космологической теории, которая называется сейчас теорией горячей Вселенной; на Западе предпочитают другое название - теория Большого Взрыва. Прежде всего, было выяснено, что в космическом котле могли быть созданы не все элементы таблицы Менделеева (как мечталось Гамову), а только самые легкие из них, и больше всего - до 25% по массе - гелия-4. Тяжелые же элементы синтезируются позднее при эволюции звезд и взрывах сверхновых.

Что же касается космического излучения, то у нас его называют реликтовым (по предложению И.С. Шкловского), а на Западе - микроволновым. Оно стало сейчас, в начале 21-го века годы, предметом самого пристального изучения с помощью наземных радиотелескопов и аппаратуры, выносимой в космос. Реликтовое излучение - это удивительное и вместе с тем совершенно естественное космичесое явление - несет в себе сведения о физическом состоянии Вселенной в далеком прошлом, миллиарды и миллиарды лет назад. Его температура измерена сейчас с фантастической для космологии точностью - 2,732 Кельвинов. Для изучения его пространственной (угловой) структуры (установившейся после полумиллиона лет от начала космологического расширения) используются сейчас приборы, которые имеют точность в десятитысячные доли процента. Именно на одном из таких аппаратов, который называется Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), в 2003 г. удалось точнее всего измерить долю эйнштейновско-глинеровского вакуума в полной энергии мира. Еще один удивительный результат, основанный на данных WMAP, - указание на конечный размер Вселенной: она имеет ораниченный объем и ее нынешний радиус составляет несколько миллиардов световых лет! Если этот вывод, сделанный парижским математиком Ж.-П. Люмине и его соавторами в том же 2003 году, подтвердится дальнейшими исследованиями, это будет грандиозное открытие, значение которого ясно каждому.

И это далеко не все, о чем способно рассказать нам реликтовое излучение. На очереди новые космические проекты наблюдений и среди них особенно крупный и дерзкий по замыслу, PLANCK, нацеленный на получение прямых объективных данных о самых первых мгновениях Большого Взрыва (по измерениям поляризации фона).

Грамматика жизни

Вернемся в 1940-е годы. Как только кончилась война, Гамов и Тьюв возобновили вашингтонские конференции. Первая послевоенная встреча, состоявшаяся осенью 1946 года, называлась "Смежные проблемы физики и биологии". С тех пор Гамов не выпускал события в биологии из поля зрения. Так большой паук сидит притаившись в центре широко раскинутой паутины и только ждет, чтоб пролетела мушка; и тогда он вмиг выскакивает из засады и набрасывается на жертву. Это сравнение принадлежит Эренфесту, а применил его Гамов сам к себе, когда у него спросили, чего он ждал, чтобы включиться в биологию, если интересовался ею с 1946 года.

Как оказалось, чтобы успешно включиться в биологию, ему нужно было дождаться 1953 года, приехать с кратким визитом в Калифорнийский университет в Беркли и случайно встретить там в коридоре Луиса Альвареца. В руках у него (этого очередного в гамовских дружеских встречах и научных приключениях Нобелевского лауреата) был свежий журнал "Nature". Он был взволнован: "Смотри, - сказал он Гамову, - какую потрясающую статью написали Ватсон и Крик!"

Это была знаменитая (тоже нобелевская!) работа о структуре ДНК. Альварец явно заразил его своим энтузиазмом; в жизни Гамова началась новая, "генетическая" полоса, и в этом новом жизненном и научном приключении было немало волнующего, драматического и, само собой разумеется, смешного и веселого.

Гамов исходил из следующих известных положений общего характера. В основе всего живого лежат белки. Они служат строительным материалом для живых тканей, образуют гормоны, ферменты и т.д. В организме человека более миллиона различных белков. Известно, что белки строятся из 20 аминокислот; индивидуальные свойства белка определяются тем, из каких аминокислот и в какой последовательности он образован. Синтез белков управляется нуклеиновыми кислотами, в которых хранится и посредством которых передается полный набор сведений о строении белков.

Из работ Крика и Ватсона дополнительно выяснилось, что запись этой информации осуществляется с помощью выстроенных друг за другом "слов", причем "буквами" для этих слов служат четыре нуклеотида. Для ДНК эти буквы суть аденин, гуанин, цитозин и тимин. (В РНК вместо тимина присутствует урацил.)

Способ записи генетической информации с помощью четырехбуквенного алфавита нуклеотидов универсален, одинаков для всего живого на Земле - для животных, растений, бактерий и вирусов. Каждое слово в генетическом тексте - это название аминокислоты; каждое предложение определяет белок.

Если в алфавите жизни четыре буквы, то как из них строятся слова? Этим вопросом и задался Гамов в 1954 г.

Очевидно, что число слов должно быть не меньше 20. Если допустить, что каждое слово состоит из двух букв, то таких различных пар будет 4²=16. Это мало. Гамов сделал предположение, что в каждом слове должно быть, скорее всего, три буквы. Таких трехбуквенных слов в четырехбуквенном алфавите было бы 4³=64. Это уже не меньше, но, наоборот, заметно больше числа аминокислот.

Как быть? Может быть, считать, что слова не обязательно состоят каждое из трех букв? Или, возможно, среди 64 трехбуквенных слов есть синонимы? Гамов остановился на второй возможности как более простой: пусть будет 64 слова, но несколько из них означают одну и ту же аминокислоту.

Выяснить соответствие между 64 словами языка жизни и 20 аминокислотами должен эксперимент. Новые исследования Крика, работы американских биохимиков М.Ниренберга, С.Очоа, Х.Корана и других вскоре показали, что идея Гамова об универсальном коде с трехбуквенными словами абсолютно верна. Это был триумф генетики и вместе с тем огромный личный успех Гамова. Он торжествовал победу, а радоваться удаче он умел, как рассказывают, очень хорошо.

Что же касается синонимов, то правила, по которому разные слова приобретают одинаковый смысл, a priori угадать не удалось: оно оказалось довольно прихотливым. Сейчас известно, что из 64 слов 61 кодирует аминокислоты; оставшиеся 3 слова кодируют окончание синтеза - это точки в конце предложений. Код лишен двусмысленности: одно слово не способно кодировать более одной аминокислоты.

Были у Гамова и догадки, касающиеся тонких деталей устройства двойной спирали ДНК; одна из них оказалась действительно важной и впоследствии подтвердилась. В интервью 1968 года на вопрос о работе, которая доставила ему больше всего удовольствия, Гамова ответил: Пожалуй, биология; это было нечто совсем новое, и так занятно было разгадывать коды...

* * *

Сколько Нобелевских премий получил Гамов? Случалось слышать, что две - по физике и по генетике, или одну уж точно. Мы, конечно, процитировали бы в конце этой статьи Нобелевскую лекцию Гамова; в ней нашлось бы, надо думать, немало замечательного. Но такого события нет на мировой линии нашего героя. Закончим другой цитатой. "Банах говорил, что хорошие математики видят аналогии между теоремами, а лучшие - аналогии между аналогиями. Гамов обладал в исключительно высокой степени этой редчайшей способностью видеть глубинные связи между самыми разнообразными идеями в науке и даже искусстве." Это из предисловия Станислава Улама к автобиографической книге Гамова. Они приятельствовали в Лос-Аламосе и позже, много работали вместе, да и говорили на понятных друг другу славянских языках, так что Улам, вероятно, знал лучше других какова самая сильная сторона гамовского таланта.

 

12	Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: