Az ősrobbanás rövid története (harmadik rész)
Az utolsó epizódban nagyon röviden bemutatjuk az ősatom hipotézisét, amelyet Lemaitre a Nature folyóirat 1931. május 9-én megjelent levelében fogalmazott meg. Ez a nagyon rövid, matematikai képletektől teljesen mentes szöveg forradalmat jelentett a kozmológiában. Abban az időben a legtöbb tudós úgy vélte, hogy az univerzumnak nem lehet kezdete.
Az ősatom
Az univerzumnak nem lehet kezdete. Az időnek nem lehet kezdete. Szinte vallásosnak hangzott volna, ha másként gondolkodik. Lemaitre ezt a holtpontot sikerült leküzdenie a Nature levelében, amelyben azt mondta:
"A termodinamika alapelvei a kvantumelmélet szempontjából a következőképpen fogalmazhatók meg: (1) A teljes energiamennyiség diszkrét mennyiségekben oszlik meg. (2) A különálló mennyiségek száma folyamatosan növekszik. Ha visszamegyünk az időben, egyre kevesebb kvantumot találunk, egészen addig a pillanatig, amikor az Univerzum néhány, vagy akár egyetlen kvantumból állt.
Az atomi folyamatokban a tér és az idő fogalmai csak statisztikai fogalmak, gyengülnek, ha egyes jelenségekre alkalmazzák őket, kis mennyiségű kvantumot bevonva. Ha a világ egyetlen kvantumból indult ki, akkor a tér és az idő fogalmának eleinte már nincs értelme; [a két fogalom] csak akkor van értelme, ha az eredeti kvantumot elég nagy mennyiségű kvantorra osztották fel. ”
Hirtelen néhány mondatban Lemaitre bemutatja az idők kezdetét, az egész Univerzum kezdetét. Lemaitre forradalmat indított el a tudósok gondolkodásában, szinte példátlanul.
Amikor a kezdeti kvantumról beszél, Lemaitre egy hipotetikus ősi atomra (ős atomra) utal, amely az Univerzum minden anyagának forrása. Donald Menzel, aki akkor a Harvard Obszervatórium csillagászának számított a Néptudomány 1932 decemberi számában, leírta azt a folyamatot, amely az Univerzum megszületéséhez vezetett:
"Lemaitre elmélete szerint a világegyetem egykor egyetlen óriás atom volt, amely egészen százmillió évvel ezelõtt szunnyadt. Aztán, mint egy rakéta, amely július 4-én tűzijátékkal világítja meg az eget, miután hónapokig csendesen ült a polcon, ez az atom felrobbant, és töredékeiből az Univerzumot alkotó csillagok születtek. Egy egyszerű kísérlet segítségével szemléltethető, hogy bizonyos típusú atomok felrobbannak.
Ha sötét szobában vesz egy rádiós órát, és éles nagyítóval megnézi a tárcsáját, akkor láthat valamit, ami tűzijátéknak tűnik. Amikor szikrákat lát, emlékeznie kell arra, hogy azok egyetlen atom robbanásából származnak. Minden szikrában látod az Univerzum születésének új elméletének kis léptékű reprodukcióját. ”
Hadd tegyek itt egy nagyon rövid zárójelet. Menzel, mint a tudomány minden jó népszerűsítője, hasonlatot javasol. Gondolom, kíváncsi vagy, mi az a "rádióóra". Abban az időben annak érdekében, hogy még sötétben is használhatók legyenek, az órák jelöléseit és kezeit foszforeszkáló festékkel festették, amely kis mennyiségű rádiumot tartalmazott.
Az ősatomos hipotézist, bár nagyon szenzációs, sok tudós vonakodva fogadta el. Ez a hipotézis közelebb áll a teremtés keresztény dogmájához, és a fizika szempontjából nem támogatható. Szigorúan tudományos szempontból a hipotézissel is komoly probléma merült fel. Tekintse át Menzel idézetét, amely szerint "néhány száz millió évvel ezelőtt" felrobbant az ősatom.
Ez lett volna az Univerzum kora, ha a Hubble-konstans abban az időben meghatározott értéke alapján számoljuk ki. Nevetségesen fiatal kor lenne. Már akkoriban tudni lehetett, hogy a Föld több milliárd éves. Valójában most már tudjuk, hogy a probléma azért merült fel, mert az 1930-as évek elején a Hubble állandójának meghatározása nem volt elég pontos.
Tudomány és vallás
Másrészt az egyház népe elégedett volt. Nagyon örültek, most egy tudományos szempontból érvényes hipotézisük volt a "Fiat Lux!" a bibliai genezistől. Azt hiszem, ehhez egy kicsit ragaszkodnom kell. Ez a tudomány és a vallás kapcsolatának tövises kérdése.
1951-ben XII. Pius pápa a Pápai Tudományos Akadémián elmondott beszédében kijelentette, hogy „a modern tudománynak […] sikerült bizonyítékot szolgáltatnia egy kezdeti Fiat Luxra, [pillanatra], amikor a semmiből az anyag, a fény és a sugárzás tengerével együtt született, miközben a kémiai elemek részecskéi elválasztódtak és agglomerálódva galaxisok millióit alkották. "
Lemaitre reakciója nagyon gyors és határozott volt. Beszélt Daniel O'Connell atyával, a tudomány pápai tanácsadójával, és arra kérte, magyarázza el a pápának, hogy nem helyes asszociációkat kötni a tudomány és a bibliai kinyilatkoztatás között. E kérés eredményeként XII. Pius pápa soha nem hivatkozott a kozmológiára a bibliai eredet bizonyítékaként. Nem tudom, mi volt Lemaitre üzenete a pápának, de már jóval korábban kifejezte álláspontját ebben a témában.
Az 1933. december 13-i Princetoni Papers-ben felfedeztem egy rövid cikket "A tudomány és a vallás között nincs konfliktus" - mondja Lemaitre apát, fizikus és pap. Miután beszélt Lemaitre-vel, aki éppen megérkezett Princetonba, a cikk írója azt írta, hogy „[Lemaitre] rámutatott, hogy az igazi tudósok szempontjából a két terület, a tudomány és a vallás, egymástól független és független. . Az apát azzal indokolta ezt a kijelentést, hogy a tudománynak, amely szigorúan a törvények és a fizikai jelenségek tanulmányozásával foglalkozik, semmi köze nincs a szellem törvényéhez. " Örvendetes nyilatkozat, amelyet túl sokan nem vesznek figyelembe.
Vajon a mély hit segítette Lemaitre az ősatom hipotézisének kimondásában? Természetesen a fenti idézet alapján a hit nem hatott rá. Ehelyett az idők kezdetébe vetett hite, amely mély vallásosságából fakadt, segített abban, hogy könnyebben elfogadja azt az irányt, amely felé az Univerzum terjeszkedésével kapcsolatos adatok irányultak. Aki elfogadja a bizonyítékokat, amelyek azt mutatják, hogy az Univerzum terjeszkedésének vagyunk tanúi, arra a következtetésre juthatott, hogy van kiindulópont. De csak annak van bátorsága kijelenteni, aki kész elfogadni ezt a hipotézist, amely úgy tűnik, hogy a tudomány területéről származik.
Amint ebben a szövegben gyakran rámutattunk, Lemaitre hipotézise egyenesen forradalmi volt, bár jobban belegondolva, a mostani adatok alapján nagyrészt téves volt. A Lemaitre által leírt értelemben nem volt széteső ősatom. De az 1930-as évek fizikusai számára továbbra is a legnehezebb részében érvényes. Az időnek és a térnek kezdete van. Van egy pillanat a nulla idő. Vagy más szóval egy kicsit műanyagabb, volt egy nap anélkül, hogy előtte volt. Ez az ötlet még most is, miután belépett a populáris kultúrába, továbbra is elsöprő.
Ismét a statikus univerzum
A Világegyetem kezdetének gondolatát olyan nehéz volt elfogadni, hogy közvetlenül a második világháború okozta felfordulás után, 1948-ban új elméletet javasoltak, amely a kezdetektől kizárta az Univerzum kezdetének pillanatát. Az univerzumnak végtelen kora van, a Steady State elmélet elmélete szerint.
Ezt a hipotézist nagyrészt három fizikus dolgozta ki: Hermann Bondi, Thomas Gold és Fred Hoyle. Mindhárom értékes fizikus, akik mindegyikük jelentős mértékben hozzájárult a fizikához és az asztrofizikához. Hárman két évvel korábban, 1946-ban megnézték a Dead of Night című horrort, amely egy végtelenül megismételt rémálom történetét mesélte el.
Amikor hazatért, Gold azt javasolta, hogy az imént látott film ciklikusan működjön, és bármelyik pillanatától kezdve gond nélkül meg lehetett volna nézni, mintha csak most kezdődött volna. Alapvetően a filmnek nem volt pontosan meghatározható kiindulópontja. Aztán arra gondolt, hogy valószínűleg ugyanez történik az Univerzummal: annak nincs se kezdete, se vége.
Két évvel később az álló világegyetem elméletében a három fizikus feltételezte, hogy bár láthatjuk az univerzum tágulását, az idővel nem változik, nincs kezdete és vége. Számukra az Univerzum térben és időben egyaránt tökéletesen homogén és izotróp. Az Univerzumban nincs külön hely, és a megfigyeléseken keresztül észlelhető különbségeknek csak helyi jelentőségük van. Nagy léptékben az univerzum homogén.
Még ha elutaznánk is az Univerzum múltjáig, nem látnánk más struktúrákat, mint azokat, amelyeket most a műszereinkkel megfigyelünk. És mégis, bár Bondi, Gold és Hoyle számára univerzumuk statikus volt, ez még nem jelentette a nagyszabású mozgás hiányát. Hatalmas területeink lehetnek, ahol a terjeszkedés szemtanúi lehetünk, de lehetnek olyan területek is, ahol az Univerzum összehúzódását látjuk. Ahhoz, hogy az Univerzum sűrűsége állandó maradjon, így az álló helyzetben maradjon, valami másnak történnie kellett.
A lambda konstansnak, amelyről az elmúlt epizódban meséltem, bizonyos értékkel kell rendelkeznie, ami az Univerzum átlagos sűrűségének pontos értékét jelenti. De mivel, legalábbis az Univerzum területén, a térfogat növekedésének vagyunk tanúi (ami a sűrűség folyamatos csökkenését vonja maga után), szükség volt arra, hogy folyamatosan higgyünk az új anyagban. A három számításai azt mutatták, hogy szükséges lenne, hogy az Univerzum minden köbmétere megjelenjen a semmiből, milliárd évente egy hidrogénatom.
A kiinduló ponttal rendelkező Univerzum hipotézisének ellenérveként a Statikus Univerzum hívei a Világegyetem Hubble-állandó alapján számított kora és a Föld kora közötti nyilvánvaló ellentmondást használták. Ahogy korábban elmondtam neked, mivel ennek az állandónak a helyes értékét még nem sikerült megszerezni, ez a Föld korát eredményezi, mint az Univerzumé.
A viták ebben a témában nagyon hevesek voltak. Fred Hoyle elmondta, hogy "[a kezdettel rendelkező univerzum elmélete] irracionális folyamat, amelyet tudományos értelemben nem lehet leírni […], és megfigyelésekkel sem lehet megerősíteni". Az érvelés körüli viták egy ponton rendkívül hevessé váltak. Így jelent meg a "Big Bang" kifejezés, amelyet Hoyle is kitalált egy BBC rádióműsorban.
Beszélt "ezekről az elméletekről, amelyek azon a hipotézisen alapulnak, hogy az Univerzumban minden anyag egy Nagy Bummban jött létre, amelyet a távoli múlt egy bizonyos pontján hoztak létre". Az iróniának nyoma sincs ebben a szövegben, de teljes mértékben létezik. A "Nagy Bumm" itt csak pejoratív kifejezésként használatos, nevetségessé téve az univerzum elméletét, amelynek kiindulópontja van, amelyet Fred Hoyle elfogadhatatlan, sőt irracionális hipotézisen alapulónak vélt.
Az álló világegyetem elméletének kidolgozása idején komoly érvek szóltak mellette. Bármennyire is nézett az univerzumban, úgy tűnt, hogy azonos a jelennel. Úgy tűnt, hogy a Világegyetem egyáltalán nem változott, ezért megerősítést nyert a stacionárius Világegyetem-elmélet hívei által megfogalmazott kozmológiai elv, amely, emlékeztetem önöket, izotróp és homogén univerzumot tartalmazott mind térben, mind időben. Ezekhez a megfigyelési érvekhez hozzáfértek néhány filozófiai, azaz spekulatív jellegű érvek.
Valójában sok fizikus számára könnyebb volt elfogadni az örök, kezdet nélküli univerzum gondolatát. Egy pillanat léte "T = 0" nekik, mint mondtam, inkább pusztán vallási gondolatnak tűnt. Bármely elméletnek, bármennyire is hihetőnek tűnik az adott kontextusban, bizonyítékokra van szüksége annak alátámasztására. Ennek megcáfolásához még mindig nincsenek bizonyítékok. Ez az alapvető mechanizmus bármely tudományos elmélet érvényesítésére.
Az álló világegyetem elméletével akkor kezdődtek problémák, amikor az 1950-es évek végén rádióteleszkópok segítségével fedezték fel az első kvazárokat. Ezek rendkívül intenzív rádióforrások, de pontszerű megjelenésűek. Amint ezeknek a rádiójeleknek a forrása optikai távcsövek segítségével látható objektumokkal társítható volt, kiderült, hogy ezek nagy távolságra vannak tőlünk, így az Univerzum távoli múltjához tartoznak.
Kvazárokat nem találunk a közelünkben, más szóval a jelenlegi világegyetemben nincsenek ilyen kozmikus tárgyak. Ez pedig az univerzum időbeli izotrópia és homogenitás elvének súlyos megsértését jelenti. A megfigyelések egy fejlődő világegyetemet mutattak, egy olyan univerzumot, amely idővel változik.
De az álló világegyetem elméletének államcsínyét a sugárzás kozmológiai hátterének 1964-es felfedezése hozta létre, amely remekül megerősítette az elméletet, amelyet Fred Hoyle ironikusan "Nagy Bummnak" nevezett.
Az Univerzumnak megint van kezdete
Az álló világegyetem elméletének kidolgozásával szinte egyidőben, 1948-ban a "Kémiai elemek eredete" című cikk megjelent a fizikai áttekintésben április 1-jén, amelyet Ralph Alpher, Hans Bethe és George Gamow írt alá. Hangsúlyoznom kell, hogy Bethe nem is tudta, hogy ő ennek a műnek a szerzője. Gamow vezette be, így a szerzők nevének kezdőbetűi (Alpher, Bethe, Gamow) a görög ábécé (alfa, béta, gamma) első betűit jelentik.
Az univerzum megalkotása című könyvében Gamow elmagyarázta a történteket: "Számításaink eredményeit [az Alpher és a Gamow] -ról először egy 1948. április 1-jén megjelent cikk jelentette be a Physical Review-ban. A művet Alpher, Bethe és Gamow vetette el, és gyakran "ábécé szerinti cikkként" emlegetik.
Nagyon igazságtalannak tűnt a görög ábécé iránt, hogy egy művet csak Alpher és Gamow írt alá, ezért a nyomtatásra küldött kéziratban (távollétében) hozzáadtam Hans Bethe nevét. Bethe megkapta a kézirat másolatát, és nem volt ellenvetése […]. Később azonban, amikor az alfa, béta, gamma elméletet erőteljesen támadni kezdték, Bethe arra gondolt, hogy nevét Zachariasra változtatja ”…
A cikk Alpher doktori disszertációjára épült, és egyetlen oldalon leírta azokat a folyamatokat, amelyek az Univerzum kezdetén a kémiai elemek első magjainak szintéziséhez vezettek. Már nincs meg a hirtelen felbomló Lemaitre ősi atomja, hogy anyagot szülessen az Univerzumban.
A cikk elején leszögezték: „Ahogy egyikünk [George Gamow] rámutatott, a különféle nukleáris fajok nem egy bizonyos hőmérsékleten és sűrűségű egyensúlyi állapotból származnak, hanem a terjeszkedés során keletkező folyamatos folyamat következményei. az ősanyag gyors lehűlése. E modell szerint az anyag ősállapotát rendkívül sűrített neutrongázként kell elképzelnünk […], amely akkor kezdett szétesni elektronokká és protonokká, amikor a gáznyomás csökkenteni kezdte az Univerzum gyors tágulása következtében.
A megmaradt neutronok által sugárzott protonok megkötése az első deutérium magok kialakulásához vezetett, az ezt követő befogások pedig nehezebb magok képződését eredményezték. ” Ez a cikk Alpher doktori disszertációjával együtt nagyon jól megmagyarázta a hidrogén, a deutérium és a hélium relatív bőségét az Univerzumban.
Ennek a munkának az ötlete George Gamow fejében született meg, az 1940-es évek eleje óta, amikor magyarázatot keresett a kémiai elemek relatív bőségére az Univerzumban. Azt már korábban tudták, hogy a csillagok magjában a hidrogénmagok összeolvadnak és héliumot képeznek. De ez a folyamat túl lassú, és nem magyarázza meg az univerzumban a héliummagok megfigyelt bőségét (kb. Egy héliummag minden 10 hidrogénmagra).
Gamow arra volt kíváncsi, vajon nem keletkezett-e hélium és hidrogén a világegyetem legelején. A válasz megtalálásához nukleáris fizika ismeretekre volt szükség, de a legtöbb amerikai atomfizikus részt vett a Manhattan-projektben (amely az első atombombák felépítéséhez vezetett), így Gamow egyedül kezdett foglalkozni a nukleoszintézis problémájával.
Számításait az Univerzum jelenlegi átlagos sűrűségéből kiindulva kezdte, és figyelembe véve az Univerzum tágulását, igyekezett megbecsülni ezt a sűrűséget a távoli múlt különböző időpillanataira. Aztán elkezdte kiszámítani az univerzum kezdetének különböző atomreakcióinak valószínűségét, de a számítások túl bonyolultak voltak számára. Gamow azonban egyáltalán nem volt elégedett számos matematikai számítással, ezért Ralph Alpher doktoranduszhoz fordult, és ennek eredményeként 1948. április 1-jén jelent meg a tanulmány.
A legfontosabb ebben a cikkben az volt, hogy rövid idő alatt egy alapvető jóslat kijelentéséhez vezetett: a sugárzás kozmológiai hátterének létezéséhez. De erről a következő részben fogunk beszélni .