Кратка историја на Биг Бенг (Трет дел)
Во последната епизода, многу кратко ја презентираме хипотезата за исконскиот атом, изјавена од Лематре во писмо објавено од списанието „Природа“, на 9 мај 1931 година. Тој многу краток текст, целосно лишен од математички формули, означи револуција во космологијата. Во тоа време, повеќето научници веруваа дека универзумот не може да има почеток.
Исконскиот атом
Универзумот не може да има почеток. Времето не може да има почеток. Haveе звучеше скоро религиозно ако мислевте поинаку. Лематре успеа да ја надмине оваа ќор-сокак во своето писмо од Природа, во кое се вели:
„Принципите на термодинамиката, од гледна точка на квантната теорија, може да се наведат на следниов начин: (1) Вкупната количина на енергија се дистрибуира во дискретни количини. (2) Бројот на различни количини постојано се зголемува. Ако се вратиме назад во времето, ќе најдеме сè помалку кванти, сè до моментот кога Универзумот е составен од неколку, па дури и од еден квант.
Во атомските процеси, поимите простор и време се само статистички поими, тие ослабуваат кога се применуваат на одделни феномени, вклучувајќи мал број на кванти. Ако светот започнал од еден квант, поимите простор и време на почетокот веќе немаат смисла; [двата поима] имаат смисла само кога оригиналниот квант е поделен на доволно голем број квантификатори. '
Одеднаш, во само неколку реченици, Лематер воведува почеток на времето, почеток на целиот Универзум. Лематре започна револуција во размислувањето на научниците, скоро невидена.
Кога зборува за почетниот квант, Лемаир се повикува на хипотетички исконски атом (исконски атом) кој е извор на целата материја во Универзумот. Доналд Мензел, тогаш астроном на опсерваторијата Харвард во декември 1932 година во популарната наука, го опиша процесот што доведе до раѓање на Универзумот:
„Според теоријата на Лематре, универзумот некогаш бил единствен џиновски атом кој, сè до стотици милиони години, бил во мирување. Потоа, како ракета што го осветлува небото со огномет на 4 јули, откако со месеци седеше тивко на полицата, овој атом експлодираше и од неговите фрагменти се родија starsвездите што го сочинуваат Универзумот. Како експлодираат одредени видови атоми, може да се илустрира со едноставен експеримент.
Ако земете радио часовник во темна просторија и го погледнете неговиот бирач со остра лупа, ќе можете да видите нешто што личи на огномет. Кога ќе видите искри, мора да запомните дека тие доаѓаат од експлозија на еден атом. Во секоја искра, гледате мало размножување на новата теорија за раѓањето на Универзумот “.
Дозволете ми да направам многу кратка заграда тука. Менцел, како и секој добар популаризатор на науката, предлага аналогија. Претпоставувам дека се прашувате што е тоа „радио часовник“. Во тоа време, за да може да се користи дури и во мракот, ознаките и стрелките на часовниците беа насликани со фосфоресцентна боја, која содржеше мали количини на радиум.
Хипотезата за исконскиот атом, иако многу сензационална, беше прифатена неволно од многу научници. Оваа хипотеза е поблиску до христијанската догма за создавање и не може да биде поддржана од гледна точка на физиката. Од строго научна гледна точка, имаше и сериозен проблем со хипотезата. Прегледајте го цитатот од Мензел, кој вели дека „пред неколку стотици милиони години“ експлодирал исконскиот атом.
Ова ќе беше доба на Универзумот, ако го пресметаме врз основа на вредноста утврдена во тоа време на Хабловата константа. Тоа би било смешно млада возраст. Уште во тоа време беше познато дека Земјата е стара неколку милијарди години. Всушност, како што сега знаеме, проблемот настана бидејќи определбите на Хабловата константа во раните 1930-ти не беа доволно точни.
Наука и религија
Од друга страна, луѓето во црквата беа задоволни. Тие беа навистина весели, сега имаа хипотеза, валидна од научна гледна точка, за „Fiat Lux!“ од библиска Битие. Мислам дека треба малку да инсистирам на ова. Ова е трнливото прашање за односот помеѓу науката и религијата.
Во 1951 година, папата Пиус XII во својот говор во Папската академија на науките изјави дека „модерната наука […] успеа да донесе докази за почетниот Fiat Lux, [момент] кога, од никаде, материјата се роди, заедно со морето светлина и зрачење, додека честичките на хемиските елементи се разделија и се собраа за да формираат милиони галаксии “.
Реакцијата на Лематер беше многу брза и цврста. Тој разговараше со отец Даниел О'Конел, папскиот советник за наука и го замоли да му објасни на папата дека не е правилно да се прават асоцијации помеѓу науката и библиското откровение. Како резултат на ова барање, папата Пиј XII никогаш не се осврна на космологијата како доказ за библиската Битие. Не знам каква беше пораката на Лематре до папата, но тој го искажа својот став на оваа тема многу порано.
Во „Весниците на Принстон“, на 13 декември 1933 година, открив краток напис под наслов „Нема судир меѓу науката и религијата“, вели игуменот Лемаитре, физичар и свештеник. Откако разговараше со Лематер, кој штотуку пристигна во Принстон, авторот на статијата напиша дека „[Лематер] истакна дека, од гледна точка на вистинските научници, двете области, науката и религијата, се различни и независни. . Игуменот ја оправда оваа изјава со зборовите дека науката, која работи строго со проучување на законите и физичките појави, нема никаква врска со законот на духот “. Тоа е изјава за добредојде, која премногу луѓе не ја земаат предвид.
Дали длабоката вера му помогна на Лематре да ја изнесе хипотезата на исконскиот атом? Секако, со оглед на горенаведениот цитат, тој не бил под влијание на верата. Наместо тоа, неговото верување во почетокот на времето, што произлезе од неговата длабока религиозност, му помогна полесно да ја прифати насоката кон која беа насочени податоците поврзани со проширувањето на Универзумот. Секој што ги прифаќа доказите, што ни покажува дека сме сведоци на проширување на Универзумот, може да заклучи дека постои почетна точка. Но, само некој што е подготвен да ја прифати оваа хипотеза, која се чини излезе од областа на науката, ќе има храброст да ја каже.
Како што честопати посочувавме во овој текст, хипотезата на Лематер беше искрено револуционерна, иако, според втората мисла, врз основа на податоците што сега ги имаме, тоа во голема мера беше погрешно. Немаше исконски атом да се распадне во смисла опишана од Лематер. Но, тој останува валиден во најтешкиот дел за физичарите од 30-тите години на минатиот век. Времето и просторот имаат почеток. Има момент на нула време. Или, со други зборови, малку повеќе пластично, имаше еден ден без претходниот ден. Оваа идеја, дури и сега, откако влезе во популарната култура, останува огромна.
Повторно, статичкиот универзум
Идејата за почеток на Универзумот беше толку тешко да се прифати, што веднаш по бунтот создаден од Втората светска војна, во 1948 година, беше предложена нова теорија, која од почетокот го исклучи моментот на почетокот на Универзумот. Универзумот е бесконечна доба, според теоријата на теоријата за стабилна состојба.
Оваа хипотеза во голема мера ја развија тројца физичари: Херман Бонди, Томас Голд и Фред Хојл. Сите тројца се вредни физичари, од кои секој даде значителен придонес во физиката и астрофизиката. Тројцата гледале хорор филм Dead of Night две години порано, во 1946 година, кој раскажуваше приказна за бесконечно повторениот кошмар.
Кога се врати дома, Голд сугерираше дека филмот што штотуку го виделе имал циклично дејство и дека можел да се гледа без проблеми во кое било време, како да штотуку започнал. Во основа, филмот немаше добро дефинирана почетна точка. Тогаш тој претпостави дека веројатно истото се случува со Универзумот: тој нема ниту почеток ниту крај.
Две години подоцна, во теоријата на стационарниот универзум, тројцата физичари претпоставија дека, иако можеме да забележиме експанзија на универзумот, тој не се менува со текот на времето, нема почеток и крај. За нив, Универзумот е совршено хомоген и изотропен и во просторот и во времето. Нема посебно место во Универзумот, а разликите што можеме да ги видиме преку набудувањата имаат само локално значење. Во голем обем, универзумот е хомоген.
Дури и да патувавме до минатото на Универзумот, немаше да видиме други структури освен оние што ги набудуваме сега со нашите инструменти. А сепак, за Бонди, Голд и Хојл, иако нивниот Универзум беше статичен, тоа не подразбираше отсуство на големи движења. Можеме да имаме огромни области каде што сме сведоци на експанзија, но исто така можеме да имаме области каде што гледаме контракција на Универзумот. За густината на Универзумот да остане постојана, така што таа останува неподвижна, требаше да се случи нешто друго.
Ламбда-константа, за која ви рековме во последната епизода, треба да има одредена вредност, што подразбира прецизна вредност на просечната густина на Универзумот. Но, бидејќи, барем во нашата област на Универзумот, ние сме сведоци на зголемување на волуменот (што подразбира континуирано намалување на густината) имаше потреба постојано да се верува во новата материја. Пресметките на трите покажаа дека е потребно секој кубен метар од Универзумот да се појави, од никаде, по еден атом на водород на секои милијарди години.
Како контрааргумент на хипотезата за Универзум со почетна точка, поборниците на Статичкиот универзум го користеа очигледното несогласување помеѓу возраста на Универзумот, пресметано врз основа на Хабловата константа и староста на Земјата. Како што ви реков претходно, бидејќи точната вредност на оваа константа сè уште не била добиена, тоа резултира во старост на Земјата поголема од онаа на Универзумот.
Дебатите на оваа тема беа многу жестоки. Фред Хојл рече дека „[теоријата за универзумот што има почеток] е ирационален процес, кој не може да се опише со научни термини […], ниту може да се потврди со набудувања“. Дискусиите околу овој аргумент во еден момент станаа крајно жестоки. Така се појави фразата „Биг Бенг“, која исто така ја измисли Хојл, во радио емисија на Би-Би-Си.
Тој зборуваше за „овие теории кои се темелат на хипотезата дека целата материја во Универзумот е создадена во Биг Бенг, произведена во одреден момент во далечното минато“. Во овој текст нема трага од иронија, но таа постои во целост. „Големата експлозија“ се користи тука само како пејоративен поим, со цел да се исмее теоријата за универзумот што има почетна точка, за која Фред Хојл сметаше дека се заснова на неприфатлива, дури ирационална хипотеза.
Во времето на развојот на стационарната теорија на универзумот, имаше сериозни аргументи во негова корист. Колку и да гледаше во универзумот, се чинеше дека е идентично со сегашноста. Се чинеше дека Универзумот воопшто не се менува, така што беше потврден космолошкиот принцип наведен од поборниците на стационарната теорија на Универзумот, кој, потсетувам, вклучуваше изотропен и хомоген универзум и во просторот и во времето. На овие набудувачки аргументи беа додадени и некои филозофски, односно шпекулативни карактер.
Всушност, за многу физичари беше полесно да се прифати идејата за вечен универзум, без почеток. Постоењето на еден момент „Т = 0“ им се чинеше, како што реков, повеќе чисто религиозна идеја. Но, на секоја теорија, колку и да изгледа веродостојна во даден контекст, потребни се докази за да ја поддржат. Сè уште има недостаток на докази за да се побие. Ова е основниот механизам за потврдување на која било научна теорија.
Проблемите со теоријата на Стационарен универзум започнаа да се појавуваат кога кон крајот на 1950-тите беа откриени првите квазари со помош на радиотелескопи. Овие се екстремно интензивни радио извори, но имаат точен изглед. Штом изворот на овие радио сигнали може да се поврзе со видливи објекти со помош на оптички телескопи, откриено е дека тие се на голема оддалеченост од нас, па затоа припаѓаат на далечното минато на Универзумот.
Не наоѓаме квазари близу нас, со други зборови, нема такви космички објекти во сегашниот универзум. И ова е сериозно кршење на основниот принцип на принципот на изотропија и хомогеност во времето на Универзумот. Набationsудувањата покажаа универзум во развој, универзум кој се менува со текот на времето.
Но, тешката теорија на стационарниот универзум се случи со откривањето на космолошката позадина на зрачењето во 1964 година, што брилијантно ја потврди теоријата, иронично наречена од Фред Хојл, „Големата експлозија“.
Повторно Универзумот има почеток
Скоро истовремено со разработката на теоријата на Стационарниот универзум, во 1948 година, во физичкиот преглед на 1 април беше објавен труд со наслов „Потеклото на хемиските елементи“, потпишан од Ралф Алфер, Ханс Бете и орџ Гамов. Морам да истакнам дека Бете не ни знаеше дека тој е автор на ова дело. Воведен е од Гамов, така што иницијалите на имињата на авторите (Алфер, Бете, Гамов) ги претставуваат првите букви од грчката азбука (алфа, бета, гама).
Во својата книга „Создавање на универзумот“, Гамоу објасни што се случило: „Резултатите од нашите пресметки, [на Алпер и Гамов], први беа објавени во трудот објавен на 1 април 1948 година, во физичкиот преглед. Делото е посеано од Алфер, Бете и Гамоу, и често се нарекува „азбучен напис“.
Се чинеше многу неправедно за грчката азбука да има дело потпишано само од Алфер и Гамов, па го додадов (во отсуство) името на Ханс Бете, во ракописот испратен да се печати. Бете доби копија од ракописот и немаше приговор […]. Меѓутоа, подоцна, кога алфа, бета, гама теоријата започна силно да се напаѓа, Бете помисли да го смени своето име во Захарија “
Трудот се базираше на докторската дисертација на Алфер и на една страница ги опиша процесите што доведоа до синтеза на првите јадра на хемиски елементи на почетокот на Универзумот. Веќе го немаме исконскиот атом на Лематре, кој одеднаш се распаѓа, да раѓа материја во Универзумот.
На почетокот на статијата беше наведено: „Како што истакна еден од нас [Gamорџ Гамов], различните нуклеарни видови не потекнуваат од состојба на рамнотежа на одредена температура и густина, туку последица на континуиран процес произведен при експанзија. брзо ладење на исконската материја. Според овој модел, треба да ја замислиме исконската фаза на материјата како екстремно компресиран неутронски гас […], кој започна да се распаѓа во електрони и протони кога притисокот на гасот почна да се намалува, како резултат на брзото ширење на Универзумот.
Зрачешкото зафаќање на протоните од преостанатите неутрони доведе до формирање на првите јадра на деутериумот, а последователните фаќања резултираа со формирање на потешки јадра “. Овој труд, заедно со докторската дисертација на Алфер, многу добро го објасни релативното изобилство на водород и деутериум и хелиум во Универзумот.
Идејата за ова дело се роди во умот на Georgeорџ Гамов, уште од раните 40-ти години на 20 век, кога тој бараше објаснување за релативното изобилство на хемиски елементи во Универзумот. Веќе беше познато дека во јадрото на starsвездите јаглеродните јадра се спојуваат и формираат хелиум. Но, овој процес е премногу бавен и не може да го објасни забележаното изобилство на јадра на хелиум во Универзумот (околу едно јадро на хелиум за секои 10 водородни јадра).
Гамоу се прашувал дали хелиум и водород не биле произведени на самиот почеток на универзумот. Потребно беше познавање на нуклеарна физика за да се најде одговорот, но повеќето нуклеарни физичари во Соединетите Држави беа вклучени во Проектот Менхетн (што доведе до изградба на првите атомски бомби), па Гамоу започна да работи на проблемот со нуклеосинтезата самостојно.
Тој ги започна своите пресметки почнувајќи од моменталната просечна густина на Универзумот и, земајќи го предвид проширувањето на Универзумот, се обиде да ја процени оваа густина за различни моменти во времето во далечното минато. Тогаш тој започна да ја пресметува веројатноста за различни нуклеарни реакции на почетокот на Универзумот, но пресметките беа премногу комплицирани за него. Сепак, Гамов воопшто не беше задоволен да направи многу математички пресметки, па се сврте кон докторантот Ралф Алфер, а резултатот беше трудот објавен на 1 април 1948 година.
Најважното нешто во врска со овој труд беше тоа што за кратко време доведе до изјава за основно предвидување: постоење на космолошка позадина на зрачење. Но, за тоа ќе разговараме во следната епизода .