Fred Hoyle

Космос не так уж далеко. Это всего лишь час езды, если бы ваша машина могла ехать прямо вверх.

Сэр Fred Hoyle был английским астрономом, сформулировавшим теорию звездного нуклеосинтеза. Он также придерживался спорных позиций по другим научным вопросам — в частности, его отрицание теории "Большого взрыва", термина, придуманного им на BBC radio, и его продвижение панспермии как источника жизни на Земле. Он также писал научно-фантастические романы, рассказы и радиопьесы, а также соавтор двенадцати книг со своим сыном Geoffrey Hoyle. Большую часть своей трудовой деятельности он провел в Институте астрономии в Cambridge и шесть лет служил его директором.

Ранняя жизнь и карьера

Hoyle родился недалеко от Bingley в Gilstead, West Riding of Yorkshire, Англия. Его отец, Ben Hoyle, скрипач, работавший в шерстяной торговле в Bradford, служил пулеметчиком в Первой мировой войне. Его мать, Mabel Pickard, училась музыке в Royal College of Music в London и позже работала пианисткой кинотеатра. Hoyle учился в Bingley Grammar School и изучал математику в Emmanuel College, Cambridge.

В 1936 году он совместно с George Stanley Rushbrooke выиграл премию Mayhew Prize.

В конце 1940 года Hoyle уехал из Cambridge в Portsmouth для работы на Admiralty по исследованиям радара, например, разработав метод определения высоты входящих самолетов. Он также отвечал за противодействие радаром управляемым пушкам, найденным на Graf Spee. Британский радиопроект нанял больше персонала, чем проект Manhattan, и, вероятно, стал вдохновением для крупного британского проекта в The Black Cloud. Двумя ключевыми коллегами в этой военной работе были Hermann Bondi и Thomas Gold, и трое вели много глубоких обсуждений по космологии. Работа с радаром оплатила несколько поездок в North America, где он воспользовался возможностью посетить астрономов. В одной поездке в США он узнал о сверхновых в Caltech и Mount Palomar, а в Canada — о ядерной физике взрывчатого вещества плутония и взрыва, заметил некоторое сходство между ними и начал думать о нуклеосинтезе сверхновых. У него была интуиция в то время "Я прославлюсь, если это сработает". В конце концов, в 1954 году вышла его дальновидная и новаторская статья. Он также создал группу в Cambridge, исследующую звездный нуклеосинтез в обычных звездах, и его беспокоила нехватка производства углерода в звездах в существующих моделях. Он заметил, что один из существующих процессов был бы в миллиард раз более продуктивным, если бы ядро углерода-12 имело резонанс на 7,7 МэВ, но ядерные физики не указали такой. В другой поездке он посетил группу ядерной физики в Caltech, провел там несколько месяцев по стипендии и убедил их вопреки значительному скептицизму искать и найти Hoyle state в углероде-12, из которого развилась полная теория звездного нуклеосинтеза, соавторство Hoyle с некоторыми членами группы Caltech.

После войны, в 1945 году, Hoyle вернулся в Cambridge University, начав как преподаватель в St John's College, Cambridge. Годы Hoyle в Cambridge, 1945–1973, увидели его подъем на вершину мировой теории астрофизики на основе поразительной оригинальности идей, охватывающих очень широкий круг тем. В 1958 году Hoyle был назначен на престижную должность Plumian Professor of Astronomy and Experimental Philosophy в Cambridge University. В 1967 году он стал основателем директора Института теоретической астрономии, впоследствии переименованного в Institute of Astronomy, Cambridge, где инновационное лидерство Hoyle быстро привело к тому, что это учреждение стало одной из ведущих групп в мире для теоретической астрофизики. В 1971 году его пригласили прочитать лекцию памяти MacMillan в Institution of Engineers and Shipbuilders в Scotland. Он выбрал тему "Астрономические приборы и их конструкция". Hoyle был посвящен в рыцари в 1972 году. Hoyle уволился с должности профессора Plumian в 1972 году и директора института в 1973 году, при этом фактически отрезав себя от большей части своей власти в истеблишменте, связей и стабильной зарплаты.

После ухода из Cambridge Hoyle написал много научно-популярных и научно-фантастических книг, а также представлял лекции по всему миру. Частично мотивацией для этого было просто обеспечение средств к существованию. Hoyle по-прежнему был членом совместного комитета политики с 1967 года во время планирования 150-дюймового англо-австралийского телескопа на Siding Spring Observatory в New South Wales. Он стал председателем совета англо-австралийского телескопа в 1973 году и председательствовал на его открытии в 1974 году Charles, Prince of Wales. После своего ухода из Cambridge Hoyle переехал в Lake District и занял свое время смесью походов по болотам, написанием книг, посещением научных центров по всему миру и работой над научными идеями, которые были почти универсально отвергнуты. 24 ноября 1997 года, во время пешком по болотам в west Yorkshire, рядом с его детским домом в Gilstead, Hoyle упал в крутой овраг под названием Shipley Glen. Примерно через двенадцать часов Hoyle был найден поисковой собакой. Он был госпитализирован на два месяца с пневмонией и проблемами с почками, вызванными гипотермией, а также с переломом плеча от падения. После этого он пришел в выраженный упадок, страдая от проблем с памятью и умственной ловкостью. В 2001 году он перенес серию инсультов и умер в Bournemouth 20 августа того же года.

Происхождение нуклеосинтеза

Hoyle автор первых двух исследовательских статей, когда-либо опубликованных о синтезе химических элементов тяжелее гелия ядерными реакциями в звездах. Первый из них в 1946 году показал, что ядра звезд будут эволюционировать к температурам миллиардов градусов, намного выше температур, рассматриваемых для термоядерного происхождения звездной энергии в звездах основной последовательности. Hoyle показал, что при таких высоких температурах элемент железо может стать намного более распространенным, чем другие тяжелые элементы, благодаря термическому равновесию между ядерными частицами, объясняя высокую естественную численность железа. Эта идея позже будет называться e Process. Второе основополагающее издание нуклеосинтеза Hoyle показало, что элементы между углеродом и железом не могут быть синтезированы такими процессами равновесия. Он приписал эти элементы конкретным ядерным реакциям синтеза между обильными компонентами в концентрических оболочках эволюционирующих массивных звезд перед сверхновой. Эта поразительно современная картина - это принятая парадигма сегодня для супернова нуклеосинтеза этих первичных элементов. В середине 1950-х годов Hoyle стал лидером группы очень талантливых экспериментальных и теоретических физиков, встречавшихся в Cambridge: William Alfred Fowler, Margaret Burbidge и Geoffrey Burbidge. Эта группа систематизировала основные идеи о том, как были созданы все химические элементы в нашей вселенной, и теперь это поле называется нуклеосинтезом. Знаменито, в 1957 году эта группа создала статью B2FH, известную по инициалам четырех авторов, в которой область нуклеосинтеза была организована в дополняющие ядерные процессы. Они также добавили много нового материала о синтезе тяжелых элементов путем реакций захвата нейтронов, так называемые s-процесс и r-процесс. Настолько влиятельным стало письмо B2FH, что в течение всего остатка двадцатого века оно стало цитатой по умолчанию почти всех исследователей, желающих привести принятое происхождение теории нуклеосинтеза, и в результате путь разбивки статья Hoyle 1954 года упала в безвестность. Историческое исследование в 21 веке вернуло статью Hoyle 1954 года к научной известности. Эти исторические аргументы были впервые представлены собранию экспертов нуклеосинтеза на конференции 2007 года в Caltech, организованной после смерти как Fowler, так и Hoyle, чтобы отметить 50-летие публикации B2FH. Иронично, что статья B2FH не рассмотрела приписание Hoyle 1954 года сверхновых оболочек происхождения элементов между кремнием и железом, несмотря на соавторство Hoyle в B2FH. На основе своих многочисленных личных обсуждений с Hoyle Donald D. Clayton приписал эту на первый взгляд необъяснимую упущение в B2FH отсутствию корректуры со стороны Hoyle черновика, составленного в Caltech в 1956 году G.R. Burbidge и E.M. Burbidge.

Во втором издании статьи о нуклеосинтезе Hoyle также представлен интересный антропный принцип, который тогда не был известен под этим названием. Пытаясь разработать маршруты звездного нуклеосинтеза, Hoyle рассчитал, что одна конкретная ядерная реакция, тройной альфа-процесс, которая генерирует углерод из гелия, потребует, чтобы ядро углерода имело очень специфическую энергию резонанса и спин для его работы. Большое количество углерода во вселенной, которое делает возможным существование любых форм жизни на основе углерода, продемонстрировало Hoyle, что эта ядерная реакция должна работать. На основе этого понятия Hoyle поэтому предсказал значения энергии, ядерного спина и четности составного состояния в ядре углерода, образованном тремя альфа-частицами ядра гелия, что позже было подтверждено экспериментом.

Этот энергетический уровень, хотя и необходимый для производства углерода в больших количествах, был статистически очень маловероятным для попадания туда, где он находится в схеме энергетических уровней углерода. Позже Hoyle написал:

Вы бы не сказали себе: "Какой-то супер-вычисляющий интеллект должен был спроектировать свойства атома углерода, иначе шанс найти такой атом благодаря слепым силам природы был бы совершенно ничтожным. Здравое толкование фактов говорит о том, что сверхинтеллект поколебал физику, а также химию и биологию, и что в природе нет слепых сил, о которых стоит говорить. Числа, которые я рассчитываю из фактов, кажутся мне такими подавляющими, что эта вывод практически вне вопроса."

Его сотрудник William Alfred Fowler в конечном итоге выиграл Нобелевскую премию по физике в 1983 году вместе с Subrahmanyan Chandrasekhar, но почему-то оригинальный вклад Hoyle был упущен избирателями, и многие были удивлены, что такой известный астроном упустил возможность. Сам Fowler в автобиографическом очерке подтвердил пионерские усилия Hoyle:

Голубая доска в Bingley Grammar School в его память. Концепция нуклеосинтеза в звездах была впервые установлена Hoyle в 1946 году. Это обеспечивало способ объяснить существование элементов тяжелее гелия во вселенной, в основном показав, что критические элементы, такие как углерод, могут быть сгенерированы в звездах, а затем включены в другие звезды и планеты, когда эта звезда "умирает". Вновь образованные звезды теперь начинают с этих более тяжелых элементов, и из них образуются еще более тяжелые элементы. Hoyle предположил, что другие более редкие элементы могли бы быть объяснены сверхновыми, гигантскими взрывами, которые иногда происходят во всей вселенной, чьи температуры и давления потребовались бы для создания таких элементов.

Отрицание Большого взрыва

Не имея возражений против теории Lemaître, позже подтвержденной наблюдениями Edwin Hubble, что вселенная расширяется, Hoyle не согласился с ее интерпретацией. Он считал идею того, что вселенная имела начало, псевдонаукой, напоминающей аргументы в пользу создателя, "потому что это иррациональный процесс, и его нельзя описать в научных терминах" см. аргумент космологии Калама. Вместо этого Hoyle, вместе с Thomas Gold и Hermann Bondi, с которыми он работал на радаре во время Второй мировой войны, в 1948 году начал доказывать, что вселенная находится в "устойчивом состоянии" и сформулировал их теорию Steady State. Теория попыталась объяснить, как вселенная могла бы быть вечной и по сути неизменной, при этом иметь галактики, которые мы наблюдаем, удаляющиеся друг от друга. Теория опиралась на создание материи между галактиками во времени, так что даже если галактики расходятся дальше, новые, которые развиваются между ними, заполняют пространство, которое они оставляют. В результате вселенная находится в "устойчивом состоянии" так же, как текущая река — отдельные молекулы воды движутся, но в целом река остается прежней.

Теория была одной из альтернатив Большому взрыву, который, как и Большой взрыв, согласовался с ключевыми наблюдениями того времени, а именно наблюдениями красного смещения Hubble, и Hoyle был сильным критиком Большого взрыва. Он придумал термин "Большой взрыв" в программе BBC Third Programme 28 марта 1949 года. Было популярно сообщено George Gamov и его противниками, что Hoyle имел в виду уничижительное, и сценарий, из которого он читал вслух, был интерпретирован его противниками как "тщеславный, односторонний, оскорбительный, недостойный BBC". Hoyle явно отрицал, что был оскорбителен, и сказал, что это просто была поразительный образ, предназначенный для подчеркивания разницы между двумя теориями для аудитории радио. В другом интервью BBC он сказал "Причина, по которой ученым нравится "большой взрыв", в том, что они находятся в тени Book of Genesis. Глубоко в психике большинства ученых верить в первую страницу Genesis".

Hoyle имел печально известный жаркий спор с Martin Ryle из Cavendish Radio Astronomy Group о теории устойчивого состояния Hoyle, что несколько ограничивало сотрудничество между Cavendish