Stručná história veľkého tresku (tretia časť)
V poslednej epizóde veľmi stručne predstavujeme hypotézu pravekého atómu, ktorú uviedol Lemaitre v liste uverejnenom v časopise Nature 9. mája 1931. Tento veľmi krátky text, úplne zbavený matematických vzorcov, znamenal revolúciu v kozmológii. V tom čase väčšina vedcov verila, že vesmír nemôže mať začiatok.
Prvotný atóm
Vesmír nemohol mať začiatok. Čas nemohol mať začiatok. Znelo by to takmer nábožensky, keby ste si mysleli opak. Lemaitre dokázal prekonať túto slepú uličku vo svojom liste z prírody, v ktorom uviedol:
„Princípy termodynamiky by sme z hľadiska kvantovej teórie mohli konštatovať nasledovne: (1) Celkové množstvo energie je distribuované v diskrétnych množstvách. (2) Počet rôznych veličín sa neustále zvyšuje. Ak sa vrátime späť v čase, nájdeme čoraz menej kvantov, a to až do okamihu, keď bude Vesmír tvorený niekoľkými, alebo dokonca jediným kvantom.
V atómových procesoch sú pojmy priestor a čas iba štatistickými pojmami, slabnú pri aplikácii na jednotlivé javy a zahŕňajú malý počet kvant. Keby svet začínal z jedného kvanta, predstavy o priestore a čase už spočiatku nedávali zmysel; [tieto dva pojmy] majú zmysel, iba ak bolo pôvodné kvantum rozdelené na dostatočne veľký počet kvantifikátorov. ““
Lemaitre zrazu iba niekoľkými vetami predstaví začiatok času, začiatok celého vesmíru. Lemaitre zahájil revolúciu v myslení vedcov, takmer bezprecedentnú.
Keď hovorí o počiatočnom kvante, Lemaitre sa odvoláva na hypotetický prapôvodný atóm (praveký atóm), ktorý je zdrojom všetkej hmoty vo vesmíre. Donald Menzel, ktorý bol vtedajším astronómom na Harvardskom observatóriu v časopise Popular Science z decembra 1932, opísal proces, ktorý viedol k zrodu vesmíru:
„Podľa Lemaitreovej teórie bol vesmír kedysi jediným obrovským atómom, ktorý ešte pred stovkami miliónov rokov driemal. Potom ako raketa osvetľujúca oblohu ohňostrojom 4. júla, potom, čo celé mesiace ticho sedel na poličke, tento atóm explodoval a z jeho fragmentov sa zrodili hviezdy tvoriace Vesmír. Ako určité typy atómov explodujú, je možné ilustrovať jednoduchým experimentom.
Ak si vezmete rádiobudík v tmavej miestnosti a pozriete sa na jeho ciferník pomocou ostrej lupy, uvidíte niečo, čo vyzerá ako ohňostroj. Keď vidíte iskry, musíte si uvedomiť, že pochádzajú z výbuchu jedného atómu. V každej iskre vidíte malú reprodukciu novej teórie zrodu vesmíru. “
Dovoľte mi tu uviesť veľmi krátku zátvorku. Menzel, ako každý dobrý popularizátor vedy, navrhuje analógiu. Asi si kladiete otázku, čo sú to „rádiové hodinky“. V tom čase, aby bolo možné použitie aj v tme, boli značenia a ručičky hodín natreté fosforeskujúcou farbou, ktorá obsahovala malé množstvo rádia.
Hypotéza prvotných atómov, aj keď je veľmi senzačná, bola mnohými vedcami prijatá s nevôľou. Táto hypotéza sa blíži kresťanskej dogme o stvorení a z hľadiska fyziky ju nebolo možné podporiť. Z prísne vedeckého hľadiska nastal aj vážny problém s hypotézou. Prezrite si citát Menzela, ktorý hovorí, že „pred pár sto miliónmi rokov“ explodoval prvotný atóm.
To by bol vek vesmíru, ak by sme ho vypočítali na základe hodnoty určenej v tom čase Hubblovej konštanty. Bol by to smiešne mladý vek. Už v tom čase sa vedelo, že Zem je stará niekoľko miliárd rokov. Ako teraz vieme, problém nastal v skutočnosti preto, že určenia Hubblovej konštanty na začiatku 30. rokov neboli dosť presné.
Veda a náboženstvo
Na druhej strane boli ľudia v cirkvi spokojní. Boli skutočne veselí, teraz mali hypotézu platnú z vedeckého hľadiska pre „Fiat Lux!“ z biblickej Genezis. Myslím, že na tom musím trochu trvať. Toto je tŕnistá otázka vzťahu medzi vedou a náboženstvom.
V roku 1951 pápež Pius XII. Vo svojom prejave na Pápežskej akadémii vied uviedol, že „moderná veda [...] dokázala priniesť dôkazy pre pôvodný Fiat Lux [moment], keď z ničoho nič hmota sa zrodila spolu s morom svetla a žiarenia, zatiaľ čo sa častice chemických prvkov oddelili a aglomerovali a vytvorili milióny galaxií. ““
Lemaitreho reakcia bola veľmi rýchla a rázna. Hovoril s otcom Danielom O'Connellom, pápežským radcom pre vedu, a požiadal ho, aby vysvetlil pápežovi, že nie je správne vytvárať asociácie medzi vedou a biblickým zjavením. Na základe tejto žiadosti pápež Pius XII. Nikdy nespomenul kozmológiu ako dôkaz biblickej Genezis. Neviem, aké bolo Lemaitreho posolstvo pápežovi, ale svoj postoj k tejto téme vyjadril už dávno predtým.
V Princetonských dokumentoch som 13. decembra 1933 objavil krátky článok s názvom „Medzi vedou a náboženstvom nie je konflikt,“ hovorí fyzik a kňaz opát Lemaitre. Po rozhovore s Lemaitre, ktorý práve pricestoval do Princetonu, autor článku napísal, že „[Lemaitre] poukázal na to, že z pohľadu skutočných vedcov sú dve oblasti, veda a náboženstvo, odlišné a nezávislé. . Opát toto tvrdenie odôvodnil tým, že veda, zaoberajúca sa striktne štúdiom zákonov a fyzikálnych javov, nemá nič spoločné so zákonom ducha. ““ Je to vítané vyhlásenie, ktoré príliš veľa ľudí neberie do úvahy.
Pomohla hlboká viera Lemaitreovi vysloviť hypotézu prvotných atómov? Iste, vzhľadom na uvedený citát, nebol ovplyvnený vierou. Namiesto toho mu viera v začínajúci čas, ktorá vychádzala z jeho hlbokej religiozity, pomohla ľahšie prijať smer, ktorým boli smerované údaje súvisiace s expanziou vesmíru. Každý, kto prijme dôkazy, ktoré nám ukazujú, že sme svedkami rozpínania vesmíru, by mohol dospieť k záveru, že existuje východisko. Ale iba ten, kto je pripravený prijať túto hypotézu, ktorá, zdá sa, vychádza z oblasti vedy, bude mať odvahu ju vysloviť.
Ako sme v tomto texte často zdôrazňovali, Lemaitreho hypotéza bola úplne revolučná, aj keď, na druhú myšlienku, na základe údajov, ktoré teraz máme, bola do značnej miery nesprávna. Neexistoval žiadny prvotný atóm, ktorý by sa rozpadol v zmysle, ktorý opísal Lemaitre. Ale vo svojej najťažšej časti pre fyzikov 30. rokov zostáva v platnosti. Čas a priestor majú začiatok. Nastal okamih nulového času. Alebo, inými slovami, trochu plastickejšie, bol deň bez dňa pred ním. Táto myšlienka, aj teraz, po vstupe do populárnej kultúry, zostáva zdrvujúca.
Opäť statický vesmír
Myšlienka počiatku vesmíru bola tak ťažko prijateľná, že hneď po nepokojoch vyvolaných druhou svetovou vojnou v roku 1948 bola navrhnutá nová teória, ktorá od začiatku vylučovala okamih začiatku vesmíru. Vesmír má nekonečný vek, podľa teórie teórie ustáleného stavu.
Túto hypotézu vo veľkej miere vyvinuli traja fyzici: Hermann Bondi, Thomas Gold a Fred Hoyle. Všetci traja sú cenní fyzici, z ktorých každý významne prispel k fyzike a astrofyzike. Trojica si pred dvoma rokmi, v roku 1946, pozrela hororový film Dead of Night, ktorý rozprával príbeh nekonečne opakovanej nočnej mory.
Po návrate domov Gold navrhol, že film, ktorý práve videli, mal cyklickú akciu a bolo ich možné kedykoľvek bez problémov sledovať, akoby sa práve začal. Film v podstate nemal presne stanovený východiskový bod. Potom špekuloval, že s vesmírom sa deje pravdepodobne to isté: nemá to ani začiatok, ani koniec.
O dva roky neskôr, v teórii stacionárneho vesmíru, traja fyzici predpokladali, že hoci môžeme vidieť rozpínanie vesmíru, nemení sa v priebehu času, nemá začiatok a koniec. Vesmír je pre nich dokonale homogénny a izotropný v priestore aj čase. Vo vesmíre neexistuje žiadne zvláštne miesto a rozdiely, ktoré môžeme pozorovať prostredníctvom pozorovaní, majú iba miestny význam. Vo veľkom meradle je vesmír homogénny.
Aj keby sme cestovali až do minulosti vesmíru, nevideli by sme žiadne iné štruktúry ako tie, ktoré teraz pozorujeme pomocou našich prístrojov. Napriek tomu pre Bondiho, Golda a Hoyla, hoci bol ich vesmír statický, to ešte neznamená absenciu rozsiahlych pohybov. Môžeme mať obrovské oblasti, kde sme svedkami expanzie, ale môžeme mať aj oblasti, kde vidíme kontrakciu vesmíru. Aby hustota vesmíru zostala konštantná, takže zostala nehybná, muselo sa stať niečo iné.
Lambda konštanta, o ktorej sme vám hovorili v poslednej epizóde, by mala mať určitú hodnotu, čo znamená presnú hodnotu priemernej hustoty vesmíru. Ale keďže sme prinajmenšom v našej oblasti vesmíru svedkami nárastu objemu (čo znamená neustále znižovanie hustoty), bolo treba neustále veriť v novú hmotu. Výpočty troch ukázali, že by bolo nevyhnutné, aby sa každý kubický meter vesmíru objavil z ničoho nič jeden atóm vodíka každú miliardu rokov.
Ako protiargument k hypotéze o vesmíre s východiskovým bodom použili navrhovatelia statického vesmíru zjavný rozpor medzi vekom vesmíru vypočítaným na základe Hubblovej konštanty a vekom Zeme. Ako som vám povedal už skôr, pretože správna hodnota tejto konštanty ešte nebola získaná, vedie k tomu, že vek Zeme je vyšší ako vek vesmíru.
Diskusie na túto tému boli veľmi horúce. Fred Hoyle uviedol, že „[teória vesmíru, ktorá má svoj začiatok] je iracionálny proces, ktorý sa nedá vedecky opísať […] ani potvrdiť pozorovaním.“ “ V jednom okamihu boli diskusie okolo tohto argumentu mimoriadne vyhrotené. Takto sa v relácii rádia BBC objavila fráza „Veľký tresk“, ktorú vymyslel aj Hoyle.
Hovoril o „týchto teóriách, ktoré sú založené na hypotéze, že všetka hmota vo vesmíre bola vytvorená vo veľkom tresku a bola vyrobená v určitom časovom okamihu v dávnej minulosti.“ V tomto texte nie je ani stopy po irónii, ale existuje v plnom rozsahu. „Veľký tresk“ sa tu používa iba ako pejoratívny termín, ktorý má za cieľ zosmiešniť teóriu vesmíru, ktorý má východiskový bod, ktorý Fred Hoyle považoval za založený na neprijateľnej hypotéze, iracionálnej.
V čase vývoja teórie stacionárneho vesmíru existovali vážne argumenty v jeho prospech. Bez ohľadu na to, ako ďaleko sa vo vesmíre pozrel, zdalo sa, že je to totožné so súčasnosťou. Zdalo sa, že sa vesmír vôbec nezmenil, a tak sa potvrdil kozmologický princíp, ktorý uviedli navrhovatelia stacionárnej teórie vesmíru, ktorý, pripomínam, zahŕňal izotropný a homogénny vesmír v priestore aj v čase. K týmto pozorovacím argumentom boli pridané niektoré filozofickej, teda špekulatívnej povahy.
Pre mnohých fyzikov bolo v skutočnosti jednoduchšie prijať myšlienku večného vesmíru bez začiatku. Existencia okamihu „T = 0“ zdala sa im, ako som už povedal, skôr čisto náboženská predstava. Akákoľvek teória, nech už sa to v danom kontexte zdá akokoľvek pravdepodobné, potrebuje dôkazy, ktoré ju podporia. Dôkazy na ich vyvrátenie stále chýbajú. Toto je základný mechanizmus pre validáciu akejkoľvek vedeckej teórie.
Problémy s teóriou stacionárneho vesmíru začali vznikať, keď koncom 50. rokov 20. storočia boli pomocou rádiových ďalekohľadov objavené prvé kvasary. Jedná sa o mimoriadne intenzívne rádiové zdroje, ktoré však majú presný vzhľad. Len čo sa zdroj týchto rádiových signálov dal pomocou optických ďalekohľadov spojiť s viditeľnými objektmi, zistilo sa, že sú vo veľkej vzdialenosti od nás, takže patria do ďalekej minulosti vesmíru.
Nenájdeme vo svojej blízkosti kvazary, inými slovami, v súčasnom vesmíre neexistujú také vesmírne objekty. A to je vážne porušenie základného princípu princípu izotropie a homogenity v čase vesmíru. Pozorovania ukázali vyvíjajúci sa vesmír, vesmír, ktorý sa časom mení.
Ale prevrat pre teóriu stacionárneho vesmíru priniesol objav kozmologického pozadia žiarenia v roku 1964, ktorý brilantne potvrdil teóriu, ktorú ironicky nazval Fred Hoyle, „Veľký tresk“.
Vesmír má opäť začiatok
Takmer súčasne s vypracovaním teórie stacionárneho vesmíru bol v roku 1948 vo Fyzikálnom prehľade 1. apríla publikovaný príspevok s názvom „Pôvod chemických prvkov“, ktorý podpísali Ralph Alpher, Hans Bethe a George Gamow. Musím podotknúť, že Bethe ani nevedel, že bol autorom tohto diela. Zaviedol ho Gamow, takže iniciály mien autorov (Alpher, Bethe, Gamow) predstavujú prvé písmená gréckej abecedy (alfa, beta, gama).
Gamow vo svojej knihe Stvorenie vesmíru vysvetlil, čo sa stalo: „Výsledky našich výpočtov [Alphera a Gamowa] boli prvýkrát oznámené v článku publikovanom 1. apríla 1948 vo Fyzikálnom prehľade. Dielo zasiali Alpher, Bethe a Gamow a často sa o ňom hovorí ako o „abecednom článku“.
Podľa gréckej abecedy sa javilo veľmi nespravodlivé, aby bolo dielo podpísané iba Alpherom a Gamowom, a tak som do rukopisu zaslaného na tlač doplnil (absenčne) meno Hansa Betheho. Bethe dostala kópiu rukopisu a nemala žiadne námietky [...]. Avšak neskôr, keď začali byť silne napadnuté teórie alfa, beta a gama, Bethe napadlo zmeniť si meno na Zachariáš “…
Príspevok bol založený na Alpherovej dizertačnej práci a na jednej stránke popísal procesy, ktoré viedli k syntéze prvých jadier chemických prvkov na začiatku vesmíru. Už nemáme prapôvodný atóm Lemaitre, ktorý sa náhle rozpadne, aby zrodil hmotu vo vesmíre.
Na začiatku článku bolo uvedené: „Ako jeden z nás [George Gamow] zdôraznil, rôzne jadrové druhy nepochádzajú zo stavu rovnováhy pri určitej teplote a hustote, ale sú dôsledkom kontinuálneho procesu vytváraného počas expanzie. rýchle ochladenie prvotnej hmoty. Podľa tohto modelu si musíme predstaviť prvotné štádium hmoty ako extrémne stlačený neutrónový plyn […], ktorý sa začal rozpadať na elektróny a protóny, keď tlak plynu začal klesať v dôsledku rýchlej expanzie vesmíru.
Radiačné zachytenie protónov zostávajúcimi neutrónmi viedlo k vytvoreniu prvých jadier deutéria a následné zachytenia mali za následok vytvorenie ťažších jadier. “ Tento príspevok spolu s Alpherovou dizertačnou prácou veľmi dobre vysvetlil relatívny výskyt vodíka a deutéria a hélia vo vesmíre.
Myšlienka tejto práce sa zrodila v mysli Georga Gamowa od začiatku 40. rokov, keď hľadal vysvetlenie relatívneho množstva chemických prvkov vo vesmíre. Už sa vedelo, že v jadre hviezd sa vodíkové jadrá spájajú a vytvárajú hélium. Ale tento proces je príliš pomalý a nedokáže vysvetliť pozorované množstvo jadier hélia vo vesmíre (asi jedno jadro hélia na každých 10 jadier vodíka).
Gamow uvažoval, či sa hélium a vodík nevyrábali na samom začiatku vesmíru. Na nájdenie odpovede boli potrebné znalosti jadrovej fyziky, ale väčšina amerických jadrových fyzikov bola zapojená do projektu Manhattan (ktorý viedol k zostrojeniu prvých atómových bômb), takže Gamow začal pracovať na probléme nukleosyntézy sám.
Začal svoje výpočty vychádzajúce zo súčasnej priemernej hustoty vesmíru a s prihliadnutím na expanziu vesmíru sa snažil odhadnúť túto hustotu pre rôzne časové okamihy v dávnej minulosti. Potom začal počítať pravdepodobnosť rôznych jadrových reakcií začiatku vesmíru, ale výpočty boli pre neho príliš komplikované. Gamowa však vôbec nepotešilo veľa matematických výpočtov, preto sa obrátil na doktoranda Ralpha Alphera a výsledkom bol príspevok publikovaný 1. apríla 1948.
Najdôležitejšie na tomto článku bolo, že v krátkom čase viedol k konštatovaniu základnej predikcie: existencie kozmologického pozadia žiarenia. Ale o tom si povieme v nasledujúcej epizóde .