Кратка история на Големия взрив (трета част)
В последния епизод представяме съвсем накратко хипотезата за първичния атом, изложена от Lemaitre в писмо, публикувано от списание Nature, на 9 май 1931 г. Този много кратък текст, напълно лишен от математически формули, бележи революция в космологията. По това време повечето учени вярваха, че Вселената не може да има начало.
Първичният атом
Вселената не може да има начало. Времето не може да има начало. Щеше да звучи почти религиозно, ако бяхте мислили друго. Lemaitre успя да преодолее тази безизходица в писмото си от Nature, в което каза:
„Принципите на термодинамиката, от гледна точка на квантовата теория, биха могли да бъдат заявени, както следва: (1) Общото количество енергия се разпределя в дискретни количества. (2) Броят на отделните количества непрекъснато се увеличава. Ако се върнем назад във времето, ще открием все по-малко и по-малко кванти, до момента, в който Вселената е съставена от няколко или дори един квант.
В атомните процеси понятията за пространство и време са само статистически понятия, те отслабват, когато се прилагат към отделни явления, включващи малък брой кванти. Ако светът е започнал от един квант, понятията за пространство и време вече нямат смисъл в началото; [двете понятия] имат смисъл само когато оригиналният квант е разделен на достатъчно голям брой квантори. '
Изведнъж, само с няколко изречения, Lemaitre въвежда началото на времето, началото на цялата Вселена. Lemaitre започва революция в мисленето на учените, почти безпрецедентна.
Когато говори за първоначалния квант, Lemaitre се позовава на хипотетичен първичен атом (първичен атом), който е източникът на цялата материя във Вселената. Доналд Менцел, тогава астроном от обсерваторията в Харвард в изданието на Popular Science през декември 1932 г., описва процеса, довел до раждането на Вселената:
„Според теорията на Lemaitre Вселената някога е била единствен гигантски атом, който до стотици милиони години е бил в латентно състояние. След това, като ракета, осветяваща небето с фойерверки на 4 юли, след като в продължение на месеци седеше тихо на рафта, този атом избухна и от неговите фрагменти се родиха звездите, изграждащи Вселената. Как експлодират определени видове атоми може да се илюстрира с прост експеримент.
Ако вземете радио часовник в тъмна стая и погледнете циферблата му с остра лупа, ще можете да видите нещо, което прилича на фойерверк. Когато видите искри, трябва да запомните, че те идват от експлозията на един атом. Във всяка искра виждате възпроизвеждане в малък мащаб на новата теория за раждането на Вселената. "
Позволете ми да направя много кратка скоба тук. Менцел, както всеки добър популяризатор на науката, предлага аналогия. Предполагам се чудите какво е „радио часовник“. По това време, за да може да се използва дори и на тъмно, маркировката и стрелките на часовниците бяха боядисани с фосфоресцираща боя, която съдържаше малки количества радий.
Хипотезата за първичния атом, макар и много сензационна, беше приета с неохота от много учени. Тази хипотеза е по-близо до християнската догма за сътворението и не би могла да бъде подкрепена от гледна точка на физиката. От строго научна гледна точка имаше и сериозен проблем с хипотезата. Прегледайте цитата от Менцел, който казва, че „преди няколкостотин милиона години“ избухна първоначалният атом.
Това би било възрастта на Вселената, ако я изчислим въз основа на стойността, определена по това време на константата на Хъбъл. Това би било нелепа млада възраст. Още по това време е било известно, че Земята е на няколко милиарда години. Всъщност, както вече знаем, проблемът възникна, защото определянето на константата на Хъбъл в началото на 30-те години не беше достатъчно точно.
Наука и религия
От друга страна, хората от църквата бяха доволни. Те наистина бяха ликуващи, сега имаха хипотеза, валидна от научна гледна точка, за "Fiat Lux!" от Библейския Битие. Мисля, че трябва да настоявам малко за това. Това е трънливият въпрос за връзката между науката и религията.
През 1951 г. папа Пий XII заяви в реч в Папската академия на науките, че „съвременната наука [...] успя да представи доказателства за първоначален Fiat Lux, [момент], когато от нищото, материята се е родила, заедно с море от светлина и радиация, докато частиците от химическите елементи се отделят и агломерират, за да образуват милиони галактики. "
Реакцията на Lemaitre беше много бърза и твърда. Той разговаря с отец Даниел О'Конъл, папският съветник за науката, и го помоли да обясни на папата, че не е редно да се правят асоциации между науката и библейското откровение. В резултат на това искане, папа Пий XII никога не е споменавал космологията като доказателство за библейския Битие. Не знам какво е било посланието на Лемайтр до папата, но той беше изразил позицията си по този въпрос много преди това.
В „Документите на Принстън“ на 13 декември 1933 г. открих кратка статия, озаглавена „Няма конфликт между науката и религията“, казва абат Лемайтр, физик и свещеник. След разговор с Лемейтър, който току-що беше пристигнал в Принстън, авторът на статията пише, че „[Лемейтър] посочи, че от гледна точка на истинските учени двете области, науката и религията, са различни и независими. . Абатът обоснова това твърдение с това, че науката, занимаваща се стриктно с изучаването на законите и физическите явления, няма нищо общо със закона на духа. " Това е приветствие, което твърде много хора не вземат предвид.
Дълбоката вяра помогнала ли е на Lemaitre да изложи хипотезата за първичния атом? Разбира се, предвид горния цитат, той не е бил повлиян от вярата. Вместо това, вярата му в началото на времето, произтичаща от дълбоката му религиозност, му помогна по-лесно да приеме посоката, към която са насочени данните, свързани с разширяването на Вселената. Всеки, който приеме доказателствата, които ни показват, че сме свидетели на разширяване на Вселената, би могъл да заключи, че има отправна точка. Но само някой, който е готов да приеме тази хипотеза, която изглежда излиза от сферата на науката, ще има смелостта да я изложи.
Както често изтъкваме в този текст, хипотезата на Lemaitre беше направо революционна, въпреки че, като се замислим, въз основа на данните, с които разполагаме сега, тя до голяма степен беше погрешна. Нямаше първичен атом, който да се разпадне в смисъла, описан от Lemaitre. Но той остава валиден в най-трудната си част за физиците от 30-те години. Времето и пространството имат начало. Има момент от нулево време. Или, с други думи, малко по-пластично, имаше ден без деня преди него. Тази идея, дори и сега, след навлизането в популярната култура, остава поразителна.
Отново статичната вселена
Идеята за началото на Вселената беше толкова трудна за приемане, че веднага след шума, създаден от Втората световна война, през 1948 г., беше предложена нова теория, която изключи от началото момента на началото на Вселената. Вселената има безкрайна възраст, според теорията на теорията за устойчивото състояние.
Тази хипотеза е до голяма степен разработена от трима физици: Херман Бонди, Томас Голд и Фред Хойл. И тримата са ценни физици, всеки от които е направил значителен принос във физиката и астрофизиката. Тримата бяха гледали филм на ужасите Dead of Night две години по-рано, през 1946 г., който разказваше за безкрайно повтарящ се кошмар.
Когато се върна у дома, Голд предположи, че филмът, който току-що са гледали, има циклично действие и може да бъде гледан безпроблемно от всеки един от моментите му, сякаш току-що започнал. По принцип филмът няма точно дефинирана отправна точка. Тогава той предположи, че вероятно същото се случва и с Вселената: тя няма нито начало, нито край.
Две години по-късно, в теорията за неподвижната Вселена, тримата физици предполагат, че макар да можем да видим разширяване на Вселената, тя не се променя с течение на времето, няма начало и край. За тях Вселената е напълно хомогенна и изотропна както в пространството, така и във времето. Във Вселената няма специално място и разликите, които можем да видим чрез наблюдения, имат само местно значение. В голям мащаб Вселената е хомогенна.
Дори да пътувахме до миналото на Вселената, нямаше да видим други структури освен тези, които наблюдаваме сега с нашите инструменти. И все пак, за Bondi, Gold и Hoyle, въпреки че тяхната вселена е била статична, това не означава липса на широкомащабно движение. Можем да имаме огромни области, където сме свидетели на експанзия, но можем да имаме и области, където виждаме свиване на Вселената. За да остане плътността на Вселената постоянна, така че да остане неподвижна, трябваше да се случи нещо друго.
Ламбда константата, за която ви разказах в последния епизод, трябва да има определена стойност, която предполага точна стойност на средната плътност на Вселената. Но тъй като, поне в нашата област на Вселената, ние сме свидетели на увеличаване на обема (което предполага непрекъснато намаляване на плътността), имаше нужда постоянно да вярваме в новата материя. Изчисленията на тримата показаха, че ще е необходимо всеки кубичен метър на Вселената да се появява от нищото по един водороден атом на всеки милиард години.
Като контрааргумент на хипотезата за Вселена с отправна точка, привържениците на Статичната Вселена използват очевидното несъответствие между възрастта на Вселената, изчислена въз основа на константата на Хъбъл, и възрастта на Земята. Както ви казах по-рано, тъй като все още не е получена правилна стойност на тази константа, тя води до възраст на Земята по-голяма от тази на Вселената.
Дебатите по тази тема бяха много разгорещени. Фред Хойл каза, че „[теорията за Вселената, която има начало] е ирационален процес, който не може да бъде описан с научни термини [...], нито може да бъде потвърден чрез наблюдения“. Дискусиите около този аргумент в един момент станаха изключително разгорещени. Така се появи фразата „Голям взрив“, която също е измислена от Хойл, в радиопредаване на Би Би Си.
Той говори за „тези теории, които се основават на хипотезата, че цялата материя във Вселената е създадена при Голям взрив, произведен в определен момент от времето в далечното минало“. В този текст няма и следа от ирония, но тя съществува изцяло. "Големият взрив" се използва тук само като унизителен термин, предназначен да хвърли подигравки върху теорията за Вселената, която има отправна точка, която Фред Хойл смята за основана на неприемлив, дори ирационален.
По времето на развитието на теорията за стационарната Вселена имаше сериозни аргументи в негова полза. Колкото и далеч да гледа във Вселената, тя изглеждаше идентична с настоящето. Изглеждаше, че Вселената изобщо не се е променила, така че космологичният принцип, заявен от привържениците на стационарната теория на Вселената, беше потвърден, който, напомням ви, включваше изотропна и хомогенна Вселена както в пространството, така и във времето. Към тези аргументи за наблюдение бяха добавени някои от философски, т.е. спекулативен характер.
Всъщност за много физици беше по-лесно да приемат идеята за вечна, безсмислена Вселена. Съществуването на момент "T = 0" им се струваше, както казах, по-скоро чисто религиозна идея. Но всяка теория, колкото и правдоподобна да изглежда в даден контекст, се нуждае от доказателства, които да я подкрепят. Все още липсват доказателства, които да го опровергаят. Това е основният механизъм за валидиране на всяка научна теория.
Проблеми с теорията за стационарната Вселена започват да възникват, когато в края на 50-те години на миналия век са открити първите квазари с помощта на радиотелескопи. Това са изключително интензивни радио източници, но те имат остър външен вид. Веднага след като източникът на тези радиосигнали може да бъде свързан с видими обекти с помощта на оптични телескопи, беше установено, че те са на голямо разстояние от нас, така че принадлежат към далечното минало на Вселената.
Ние не намираме квазари близо до нас, с други думи, няма такива космически обекти в настоящата Вселена. И това е сериозно нарушение на основния принцип на принципа на изотропия и хомогенност във времето на Вселената. Наблюденията показаха развиваща се Вселена, Вселена, която се променя с времето.
Но благодатният преврат за стационарната теория на Вселената се дължи на откриването на космологичния фон на радиацията през 1964 г., което блестящо потвърждава теорията, наречена по ирония на съдбата от Фред Хойл, „Големия взрив“.
Отново Вселената има начало
Почти едновременно с разработването на теорията за неподвижната Вселена, през 1948 г. във Physical Review на 1 април е публикуван доклад, озаглавен „Произходът на химическите елементи“, подписан от Ралф Алфер, Ханс Бете и Джордж Гамов. Трябва да отбележа, че Бете дори не е знаел, че е автор на това произведение. Той е въведен от Gamow, така че инициалите на имената на авторите (Alpher, Bethe, Gamow) представляват първите букви от гръцката азбука (алфа, бета, гама).
В книгата си „Създаване на Вселената“ Гамов обяснява какво се е случило: „Резултатите от нашите изчисления [на Алфер и Гамов] бяха обявени за първи път в статия, публикувана на 1 април 1948 г. във„ Физически преглед “. Творбата е засята от Алфер, Бете и Гамов и често е наричана „азбучен член“.
Изглеждаше много несправедливо към гръцката азбука да има творба, подписана само от Алфер и Гамов, затова добавих (задочно) името на Ханс Бете в ръкописа, изпратен за печат. Бете получи копие от ръкописа и нямаше възражения […]. По-късно обаче, когато алфа, бета, гама теорията започна да бъде силно атакувана, Бете се сети да промени името си на Захария ”...
Документът се основава на докторската дисертация на Алфер и на една страница описва процесите, довели до синтеза на първите ядра от химични елементи в началото на Вселената. Вече нямаме първоначалния атом на Lemaitre, който внезапно се разпада, за да роди материя във Вселената.
В началото на статията беше посочено: „Както посочи един от нас [Джордж Гамов], различните ядрени видове не произхождат от състояние на равновесие при определена температура и плътност, а като следствие от непрекъснат процес, произведен по време на разширяването. бързо охлаждане и първична материя. Според този модел трябва да си представим първоначалния стадий на материята като изключително компресиран неутронен газ […], който започва да се разпада на електрони и протони, когато налягането на газа започне да намалява, в резултат на бързото разширяване на Вселената.
Радиационното улавяне на протони от останалите неутрони доведе до образуването на първите ядра на деутерия, а последващите улавяния доведоха до образуването на по-тежки ядра. " Тази статия, заедно с докторската дисертация на Алфер, обясняват много добре относителното изобилие на водород и деутерий и хелий във Вселената.
Идеята за тази работа се ражда в съзнанието на Джордж Гамов от началото на 40-те години, когато той търси обяснение за относителното изобилие от химически елементи във Вселената. Вече беше известно, че в ядрото на звездите водородните ядра се сливат и образуват хелий. Но този процес е твърде бавен и не може да обясни наблюдаваното изобилие от хелиеви ядра във Вселената (около едно хелиево ядро на всеки 10 водородни ядра).
Гамов се запита дали хелий и водород не са били произведени в самото начало на Вселената. За да се намери отговорът, са необходими познания по ядрена физика, но повечето ядрени физици в Съединените щати са участвали в проекта „Манхатън“ (което е довело до изграждането на първите атомни бомби), така че Гамов започва самостоятелно да работи по проблема за нуклеосинтезата.
Той започва изчисленията си, започвайки от текущата средна плътност на Вселената и, като се има предвид разширяването на Вселената, се опитва да оцени тази плътност за различни моменти във времето в далечното минало. Тогава той започна да изчислява вероятността от различните ядрени реакции от началото на Вселената, но изчисленията бяха твърде сложни за него. Въпреки това Гамов изобщо не беше доволен да направи много математически изчисления, затова се обърна към докторанта Ралф Алфер и резултатът беше хартията, публикувана на 1 април 1948 г.
Най-важното в този документ беше, че за кратко време това доведе до изказването на фундаментално предсказание: съществуването на космологичен фон на радиацията. Но ще говорим за това в следващия епизод .