Коротка історія Великого вибуху (частина третя)
В останньому епізоді ми коротко представляємо гіпотезу про первинний атом, висловлену Леметре в листі, опублікованому журналом Nature, 9 травня 1931 р. Цей дуже короткий текст, повністю позбавлений математичних формул, ознаменував революцію в космології. На той час більшість вчених вважали, що Всесвіт не може мати початку.
Первинний атом
Всесвіт не міг мати початку. Час не міг мати початку. Це звучало б майже релігійно, якби ви думали інакше. Леметру вдалося подолати цю глухий кут у своєму листі від "Природи", в якому він сказав:
"Принципи термодинаміки, з точки зору квантової теорії, можна сформулювати так: (1) Загальна кількість енергії розподіляється в дискретних кількостях. (2) Кількість різних величин постійно збільшується. Якщо ми повернемося у минуле, ми знайдемо все менше і менше квантів, аж до того моменту, коли Всесвіт складався з кількох або навіть одного кванта.
В атомних процесах поняття простору і часу є лише статистичними поняттями, вони слабшають при застосуванні до окремих явищ, залучаючи невелику кількість квантів. Якщо світ починався з єдиного кванта, поняття простору і часу спочатку вже не мають сенсу; [ці два поняття] мають сенс лише тоді, коли вихідна кількість була розділена на досить велику кількість величин. '
Несподівано, лише кількома реченнями, Лемер вводить початок часу, початок цілого Всесвіту. Лемер розпочав революцію в мисленні вчених, майже безпрецедентну.
Коли він говорить про початковий квант, Леметр має на увазі гіпотетичний первинний атом (первинний атом), який є джерелом всієї матерії у Всесвіті. Дональд Менцель, тоді астроном Гарвардської обсерваторії у грудні 1932 року у виданні Popular Science, описав процес, який призвів до народження Всесвіту:
"Згідно з теорією Леметра, Всесвіт колись був єдиним гігантським атомом, який до сотень мільйонів років тому був у стані спокою. Потім, як ракета, що освітлювала небо феєрверком 4 липня, після того, як місяцями спокійно сидів на полиці, цей атом вибухнув, і з його уламків народилися зірки, що складають Всесвіт. Як вибухають певні типи атомів, можна проілюструвати простим експериментом.
Якщо взяти радіогодинник у темній кімнаті та поглянути на його циферблат гострою лупою, ви зможете побачити щось, схоже на феєрверк. Коли ви бачите іскри, вам слід пам’ятати, що вони походять від вибуху одного атома. У кожній іскрі ви бачите незначне відтворення нової теорії народження Всесвіту ".
Дозвольте мені зробити тут дуже коротку дужку. Мензель, як і будь-який добрий популяризатор науки, пропонує аналогію. Думаю, вам цікаво, що таке "радіо-годинник". У той час, щоб можна було використовувати навіть у темний час доби, розмітки та стрілки годинників були пофарбовані фосфоресцентною фарбою, яка містила невелику кількість радію.
Гіпотеза про первинний атом, хоч і була дуже сенсаційною, була неохоче сприйнята багатьма вченими. Ця гіпотеза наближається до християнської догми про створення і не може бути підтримана з точки зору фізики. З суворо наукової точки зору, також існувала серйозна проблема з гіпотезою. Перегляньте цитату Менцеля, в якій сказано, що "кілька сотень мільйонів років тому" первинний атом вибухнув.
Це був би вік Всесвіту, якби ми розрахували його на основі значення, визначеного на той момент постійної Хаббла. Це був би смішно молодий вік. В той час було відомо, що Землі кілька мільярдів років. Насправді, як ми зараз знаємо, проблема виникла, оскільки визначення константи Хаббла на початку 1930-х років було недостатньо точним.
Наука та релігія
З іншого боку, люди церкви були задоволені. Вони справді ликували, тепер у них була гіпотеза, справедлива з наукової точки зору, щодо "Fiat Lux!" з Біблійного Буття. Думаю, мені потрібно трохи наполягати на цьому. Це колюче питання взаємозв’язку науки та релігії.
У 1951 р. Папа Пій ХІІ заявив у своїй промові в Папській академії наук, що „сучасна наука [...] зуміла навести докази початкового Fiat Lux, [момент], коли нізвідки матерія народилася разом з морем світла та випромінювання, тоді як частинки хімічних елементів розділялися та агломерирувались, утворюючи мільйони галактик ".
Реакція Леметра була дуже швидкою і твердою. Він поспілкувався з отцем Даніелем О'Коннелом, папським радником з питань науки, і попросив його пояснити Папі Римському, що неправильно асоціювати науку з біблійним одкровенням. В результаті цього прохання Папа Пій XII ніколи не називав космологію доказом біблійного Буття. Я не знаю, яким було послання Леметра до Папи Римського, але він висловив свою позицію з цього приводу задовго до цього.
У «Принстонських роботах», 13 грудня 1933 р., Я виявив коротку статтю «Не існує конфлікту між наукою та релігією», - говорить абат Лемер, фізик і священик. Після розмови з Леметре, який щойно прибув у Принстон, автор статті написав, що «[Лемайтр] зазначив, що, з точки зору справжніх вчених, дві галузі - наука та релігія - різні та незалежні. . Настоятель обґрунтував це твердження тим, що наука, займаючись строго вивченням законів і фізичних явищ, не має нічого спільного із законом духу ". Це вітальна заява, яку занадто багато людей не беруть до уваги.
Чи глибока віра допомогла Леметру сформулювати гіпотезу про первісний атом? Безумовно, з огляду на наведену вище цитату, віра на нього не впливала. Натомість, його віра в початок часу, яка виходила з його глибокої релігійності, допомогла йому легше прийняти напрямок, у який спрямовувались дані, що стосуються розширення Всесвіту. Той, хто приймає докази, які показують нам, що ми спостерігаємо розширення Всесвіту, міг би зробити висновок, що є вихідна точка. Але лише той, хто готовий прийняти цю гіпотезу, яка, схоже, виходить із сфери науки, матиме мужність висловити її.
Як ми часто зазначали в цьому тексті, гіпотеза Леметра була відверто революційною, хоча, якщо замислитися, виходячи з даних, які ми маємо зараз, вона в основному була помилковою. Не було первісного атома, який би розпався у тому значенні, яке описав Лемер. Але він залишається дійсним у своїй найскладнішій частині для фізиків 1930-х рр. Час і простір мають початок. Є момент нульового часу. Або, іншими словами, трохи пластичніший, був день без напередодні. Ця ідея навіть зараз, після входження в популярну культуру, залишається надзвичайною.
Знову ж таки статичний Всесвіт
Ідею початку Всесвіту було настільки важко прийняти, що відразу після галасу, створеного Другою світовою війною, в 1948 р., Була запропонована нова теорія, яка виключала з початку момент початку Всесвіту. Всесвіт - нескінченна епоха, згідно з теорією теорії стаціонарного стану.
Цю гіпотезу значною мірою розробили три фізики: Герман Бонді, Томас Голд та Фред Хойл. Всі троє є цінними фізиками, кожен з яких зробив значний внесок у фізику та астрофізику. Два роки перед цим, у 1946 році, вони дивилися фільм жахів Dead of Night, який розповідав історію нескінченно повторюваного кошмару.
Повернувшись додому, Голд припустив, що фільм, який вони щойно побачили, мав циклічну дію, і його можна було дивитись без будь-яких проблем у будь-який час, ніби він щойно розпочався. В основному, фільм не мав чітко визначеної вихідної точки. Потім він припустив, що, мабуть, те саме відбувається зі Всесвітом: у нього немає ні початку, ні кінця.
Через два роки в стаціонарній теорії Всесвіту троє фізиків припустили, що, хоча ми можемо спостерігати розширення Всесвіту, воно не змінюється з часом, у нього немає початку і кінця. Для них Всесвіт абсолютно однорідний та ізотропний як у просторі, так і в часі. У Всесвіті немає особливого місця, і відмінності, які ми можемо побачити завдяки спостереженням, мають лише місцеве значення. У великих масштабах Всесвіт однорідний.
Навіть якби ми подорожували аж до минулого Всесвіту, ми не побачили б інших структур, крім тих, що спостерігаємо зараз за допомогою наших інструментів. І все ж для Бонді, Голда та Хойла, хоча їх Всесвіт був статичним, це не означало відсутності широкомасштабних рухів. Ми можемо мати величезні площі, де ми спостерігаємо експансію, але ми можемо також мати такі області, де ми бачимо стиснення Всесвіту. Щоб щільність Всесвіту залишалася незмінною, щоб вона залишалася нерухомою, мало статися ще щось.
Лямбда-константа, про яку ми розповідали вам в останньому епізоді, повинна мати певне значення, яке передбачає точне значення середньої щільності Всесвіту. Але оскільки, принаймні в нашій зоні Всесвіту, ми спостерігаємо збільшення обсягу (що передбачає постійне зменшення щільності), виникала потреба постійно вірити в нову матерію. Розрахунки трьох показали, що було б необхідно, щоб кожен кубічний метр Всесвіту з'являвся з нізвідки одного атома водню кожні мільярди років.
Як контраргумент гіпотезі про Всесвіт з вихідною точкою прихильники Статичного Всесвіту використали очевидну невідповідність між віком Всесвіту, розрахованим на основі постійної Хаббла, та віком Землі. Як я вже казав вам раніше, оскільки правильного значення цієї константи ще не було отримано, це призводить до віку Землі, що перевищує вік Всесвіту.
Дискусії на цю тему були дуже бурхливими. Фред Хойл сказав, що "[теорія Всесвіту, що має початок], є ірраціональним процесом, який не може бути описаний науковими термінами [...], а також не може бути підтверджений спостереженнями". Дискусії навколо цього аргументу в один момент стали надзвичайно бурхливими. Так з’явилася фраза "Великий вибух", яку також винайшов Хойл, у радіошоу BBC.
Він говорив про "ці теорії, в основі яких лежить гіпотеза про те, що вся матерія у Всесвіті була створена під час Великого вибуху, створеного в певний момент часу в далекому минулому". У цьому тексті немає жодного сліду іронії, але він існує повністю. "Великий вибух" використовується тут лише як принизливий термін, який має на меті висміяти теорію Всесвіту, яка має вихідну точку, яку Фред Хойл вважав заснованою на неприйнятній гіпотезі, навіть ірраціональній.
На момент розвитку теорії стаціонарного Всесвіту існували серйозні аргументи на його користь. Як би далеко він не дивився у Всесвіті, він здавався тотожним теперішньому. Здавалося, що Всесвіт зовсім не змінився, тому підтвердився космологічний принцип, викладений прихильниками стаціонарної теорії Всесвіту, який, нагадую, включав ізотропний і однорідний Всесвіт як у просторі, так і в часі. До цих спостережних аргументів було додано деяку філософську, тобто спекулятивну природу.
Насправді багатьом фізикам було простіше прийняти ідею вічного, непочаткового Всесвіту. Існування моменту "T = 0" їм це здавалося, як я вже сказав, радше суто релігійною ідеєю. Але будь-яка теорія, якою б правдоподібною вона не здавалася в певному контексті, потребує доказів, що її підтверджують. Досі не вистачає доказів, щоб спростувати це. Це фундаментальний механізм підтвердження будь-якої наукової теорії.
Проблеми з теорією стаціонарного Всесвіту почали виникати, коли наприкінці 1950-х років за допомогою радіотелескопів були відкриті перші квазари. Це надзвичайно інтенсивні радіоджерела, але вони мають гострий вигляд. Як тільки джерело цих радіосигналів можна було пов’язати з видимими об’єктами за допомогою оптичних телескопів, було виявлено, що вони знаходяться на великій відстані від нас, тому належать до далекого минулого Всесвіту.
Ми не знаходимо квазарів поблизу нас, іншими словами, таких космічних об'єктів у поточному Всесвіті немає. І це є серйозним порушенням основного принципу принципу ізотропії та однорідності у часі Всесвіту. Спостереження показали що розвивається Всесвіт, Всесвіт, який змінюється з часом.
Але переворот для стаціонарної теорії Всесвіту був викликаний відкриттям космологічного фону випромінювання в 1964 році, яке блискуче підтвердило теорію, іронічно названу Фредом Хойлом, "Великим вибухом".
Знову у Всесвіту є початок
Практично одночасно з розробкою теорії стаціонарного Всесвіту, в 1948 р. У "Physical Review" 1 квітня було опубліковано статтю "Походження хімічних елементів", підписану Ральфом Альфером, Гансом Бете та Джорджем Гамовим. Мушу зазначити, що Бете навіть не знав, що він є автором цієї роботи. Він був введений Гамовим, так що ініціали імен авторів (Альфер, Бете, Гамов) представляють перші літери грецького алфавіту (альфа, бета, гамма).
У своїй книзі "Створення Всесвіту" Гамов пояснив, що сталося: "Результати наших розрахунків [Альфера і Гамова] вперше були опубліковані в роботі, опублікованій 1 квітня 1948 року в" Physical Review ". Твір було посіяно Альфером, Бете та Гамовим, і його часто називають "алфавітною статтею".
Дуже несправедливо щодо грецького алфавіту було мати твір, підписаний лише Альфером та Гамовим, тому я додав (заочно) ім’я Ганса Бете в рукопис, надісланий до друку. Бете отримала копію рукопису і не мала заперечень […]. Однак пізніше, коли на альфа-, бета-, гама-теорію почали сильно нападати, Бете задумалася змінити своє ім'я на Захарія »...
Стаття базувалася на докторській дисертації Альфера і на одній сторінці описувала процеси, що призвели до синтезу перших ядер хімічних елементів на початку Всесвіту. У нас більше немає первинного атома Леметра, який раптово розпадається, щоб народити матерію у Всесвіті.
На початку статті було сказано: «Як зазначив один з нас [Джордж Гамов], різні ядерні види походять не із стану рівноваги при певній температурі та щільності, а як наслідок безперервного процесу, що утворюється під час розширення. швидке охолодження первинної речовини. Згідно з цією моделлю, ми повинні уявити собі первинну стадію речовини як надзвичайно стиснений нейтронний газ […], який почав розпадатися на електрони і протони, коли тиск газу почав зменшуватися, в результаті швидкого розширення Всесвіту.
Радіаційне захоплення протонів рештою нейтронів призвело до утворення перших ядер дейтерію, а подальші захоплення призвели до утворення важчих ядер ». Цей документ разом із докторською дисертацією Альфера дуже добре пояснив відносну кількість водню, дейтерію та гелію у Всесвіті.
Ідея цієї роботи народилася у свідомості Джорджа Гамова з початку 1940-х років, коли він шукав пояснення відносної величини хімічних елементів у Всесвіті. Вже було відомо, що в ядрі зірок ядра водню зливаються і утворюють гелій. Але цей процес є занадто повільним і не може пояснити спостережувану кількість ядер гелію у Всесвіті (приблизно одне ядро гелію на кожні 10 ядер водню).
Гамов замислився, чи гелій та водень не утворювались на самому початку Всесвіту. Для знаходження відповіді були потрібні знання з ядерної фізики, але більшість американських фізиків-ядерників брали участь у Манхеттенському проекті (що призвело до спорудження перших атомних бомб), тому Гамов почав самостійно працювати над проблемою нуклеосинтезу.
Він розпочав свої обчислення, виходячи з поточної середньої щільності Всесвіту, і, враховуючи розширення Всесвіту, він прагнув оцінити цю щільність для різних моментів часу в далекому минулому. Потім він почав обчислювати ймовірність різних ядерних реакцій початку Всесвіту, але розрахунки були для нього занадто складними. Однак Гамову було зовсім неприємно робити багато математичних розрахунків, тому він звернувся до аспіранта Ральфа Альфера, і результатом стала робота, опублікована 1 квітня 1948 року.
Найголовнішим у цій роботі було те, що за короткий час це призвело до твердження фундаментального передбачення: існування космологічного фону випромінювання. Але про це ми поговоримо в наступному епізоді .