Эти вычисления вовсе не были скороспелыми «находками» по следам открытия фонового излучения, они стали кульминацией десятилетней работы. В 1950-е группа британских и американских исследователей, вдохновленные трудами Фреда Хойла, выяснили, как синтезируются в звездах все химические элементы сложнее гелия. Это был настоящий триумф научной мысли. В сущности, процесс состоит в том, что ядра гелия-4 соединяются и создают более сложные ядра. Затем некоторые сложные ядра либо испускают, либо поглощают одинокий протон, и таким образом создаются ядра других элементов.
Однако, как мы знаем из главы 5, на самой ранней стадии этот процесс заходит в тупик. При соединении двух ядер гелия-4 невозможно создать стабильное ядро, и поэтому в ходе Большого Взрыва нуклеосинтез остановился на гелии. Хойл придумал, как обойти это препятствие – через крайне редкие столкновения трех ядер гелия-4 практически одновременно. Тогда создается ядро углерода-12 – но лишь при условии, что ядра гелия-4 обладают нужной энергией (скоростью). Нужная энергия достигается в недрах звезд благодаря необычному квантовому эффекту, известному как резонанс. Этого никто не понимал, пока Хойл не объяснил, как происходит главный этап в этой цепочке. Он рассчитал, что должен существовать критический резонанс, который затем и был достигнут в ходе экспериментов здесь, на Земле. Затем Хойл с коллегами объяснили, как из водорода и гелия в недрах звезд создается все остальное, в том числе и атомы вашего тела, и этой книги.
Впоследствии, в 1983 году, за эту работу была присуждена Нобелевская премия, однако Нобелевский комитет принял чуть ли не самое странное решение за всю свою историю и дал премию Уильяму Фаулеру. Фаулер – прекрасный ученый, сыгравший важную роль в работе группы, но он первым признает, что и главным вдохновителем группы, и первооткрывателем механизма создания углерода-12 был именно Хойл.
К сожалению, впоследствии Хойл стал сторонником разного рода нетрадиционных идей – например, считал, что эпидемии земных болезней вызываются вирусами, занесенными на кометах. Видимо, Нобелевский комитет решил отказать ему в премии по физике, поскольку в мудрости и прозорливости своей опасался, как бы высокая награда не придала достоверности его сумасбродным гипотезам в дальнейшем. Зато британская монархия, вопреки своей чопорности, признала заслуги Хойла и посвятила его в рыцари. Однако в 1967 году до всего этого было далеко – а пока что Фаулер, Хойл и их коллега Роберт Вагонер наносили последние штрихи на картину нуклеосинтеза.
Единственным пробелом в истории звездного нуклеосинтеза в том виде, в каком она была разработана в 1950-е, оставался вопрос о том, откуда взялся гелий. Теория начиналась со звезд, на 75 % состоявших из водорода и на 25 % из гелия, прекрасно описывала появление всех прочих элементов и даже объясняла, почему одни элементы распространеннее других и насколько. Но все начиналось с резонанса тройного гелия/углерода-12, и без изначальных 25 % гелия звезды не смогли бы выпекать остальные элементы. Именно Вагонер, Фаулер и Хойл совместно показали, что именно такой Большой Взрыв, после которого осталось бы фоновое излучение с температурой 2,73 К, создал бы к концу первых четырех минут смесь из 25 % гелия и 75 % водорода.
Об этих открытиях ученые рассказали на конференции в Кембридже в 1967 году. Один из нас (Дж. Г.) присутствовал на этом докладе совсем юным студентом-исследователем и даже несколько робел, что его допустили на столь высокое собрание. Он живо помнит, какие сложные вопросы задавал на конференции другой слушатель, немного старше его самого, но еще совсем молодой, – похоже, ему было трудновато говорить, но к его словам внимательно прислушивались и куда более именитые ученые из числа почетных гостей. Все уже знали, что к Стивену Хокингу стоит прислушаться, хотя его карьера только начиналась. А вскоре стало понятно, почему его так интересует космология Большого Взрыва: были опубликованы результаты его исследований в соавторстве с Роджером Пенроузом.
Вопрос о сингулярности как точке отсчета времени начал занимать Хокинга еще в начале 1960-х годов, но потом Стивену поставили диагноз, и он, как мы уже знаем, на некоторое время забросил работу. Но к 1965 году жизнь наладилась. Стивен решил, что умрет, пожалуй, не так скоро, как предсказывали доктора, полюбил Джейн и женился на ней и с жаром вернулся к работе. В то время он был одним из немногих, кто серьезно относился к экстремальным прогнозам ОТО. Через два года после идентификации первого квазара (но еще до того, как ученые объяснили, откуда берется его энергия), и за два года до открытия пульсаров лишь отдельные ученые были убеждены в существовании черных дыр и в том, что Вселенная родилась из сингулярности.
Среди тех немногих, кто верил в черные дыры, был и молодой математик Роджер Пенроуз, работавший в Биркбек-колледже в Лондоне. Это Пенроуз доказал, что в каждой черной дыре должна быть сингулярность и что в центре черной дыры материальные частицы не могут проскользнуть мимо друг друга. В сингулярности исчезает не только вещество, но и пространство-время. В этой точке распадаются даже законы физики и ничего невозможно предсказать.
Однако, как мы уже видели, тревожиться тут особенно не о чем, поскольку эти диковинные объекты всегда надежно упрятаны за горизонт черной дыры. Именно поэтому Пенроуз выдвинул гипотезу «космической цензуры», согласно которой «голая сингулярность противна природе» и все сингулярности скрыты. Иначе говоря, наблюдатели вне горизонта черной дыры всегда защищены от любых последствий распада законов физики в сингулярности.
Работы Пенроуза по сингулярностям всегда интересовали Хокинга, однако он видел, что как бы ни была голая сингулярность противна природе, это не защитило нас от сингулярности в начале времен, если, конечно, она существовала. В 1965 году Хокинг с Пенроузом объединили усилия и исследовали этот вопрос.
До этого ученые считали, что, если применить уравнения, описывающие расширяющуюся Вселенную, в обратную сторону, по мере приближения к Большому Взрыву картина становится все сложнее и сложнее. Частицы сталкиваются и отскакивают друг от друга, образуя запутанный, хаотичный огненный вихрь. С точки зрения многих ученых это была идеальная модель, при которой Вселенная расширяется при высокой плотности, но без сингулярности. Но в ближайшие несколько лет Хокинг и Пенроуз разработали новые математические приемы, позволяющие проанализировать, как соотносятся друг с другом точки пространства-времени. Это покончило с разночтениями, позволило разобраться в запутанных взаимодействиях материальных частиц и подчеркнуло, какую важную роль играет расширение (или коллапс) пространства как такового.
Конечным результатом исследований стало доказательство того, что, если ОТО точно описывает Вселенную, в начале времен имела место сингулярность. Частицы в сжимающейся вселенной не могут разойтись друг с другом и избежать встречи в сингулярности в начале Большого Взрыва, точно так же как они не могут уклониться от сингулярности внутри черной дыры. Ведь если пространство сжимается до нулевого объема, у частиц буквально не остается места, чтобы проскользнуть мимо друг друга. Иными словами, расширение Вселенной от сингулярности в начале – прямая противоположность коллапса вещества (и пространства-времени) в сингулярность внутри черной дыры. Космический цензор был невнимателен, и мы имеем дело по крайней мере с одной голой сингулярностью во Вселенной, пусть даже нас и отделяет от нее 15 миллиардов лет.
