Забытый соперник большого взрыва: мирная альтернатива

      Комментарии к записи Забытый соперник большого взрыва: мирная альтернатива отключены

Забытый соперник большого взрыва: мирная альтернатива

Через 11 лет космология как наука сможет отмечать собственный столетний юбилей. В 1917 Альберт Эйнштейн понял, что уравнения неспециализированной теории относительности разрешают вычислять физически разумные модели мироздания. Классическая механика и теория гравитации таковой возможности не дают: Ньютон пробовал выстроить неспециализированную картину Вселенной, но при всех раскладах она неизбежно схлопывалась под действием силы тяготения.

Эйнштейн решительно не верил в конец и начало мироздания и исходя из этого придумал всегда существующую статичную Вселенную. Для этого ему пригодилось ввести в собственные уравнения особенную компоненту, которая создавала «антитяготение» и тем самым формально снабжала стабильность мироустройства. Это дополнение (так называемый космологический член) Эйнштейн вычислял неэлегантным, некрасивым, но все же нужным (создатель ОТО напрасно не поверил собственному эстетическому чутью — позднее было доказано, что статичная модель неустойчива и исходя из этого физически тщетна).

У модели Эйнштейна скоро показались соперники — модель мира без материи Виллема де Ситтера (1917), замкнутые и открытые нестационарные модели Александра Фридмана (1922 и 1924). Но эти прекрасные конструкции до поры оставались чисто математическими упражнениями. Дабы рассуждать о Вселенной в целом не умозрительно, нужно хотя бы знать, что существуют миры, расположенные за пределами звездного скопления, в котором находится Наша система и мы вместе с нею.

А космология взяла возможность искать опору в астрономических наблюдениях только по окончании того, как во второй половине 20-ых годов XX века Эдвин Хаббл напечатал работу «Внегалактические туманности», где в первый раз было дано описание галактик как независимых звездных совокупностей, не входящих в состав Млечного пути.

Разбегание галактик

Данный шанс был скоро реализован. До бельгийца Жоржа Анри Леметра, изучавшего астрофизику в Массачусетском технологическом университете, дошли слухи, что Хаббл близко подошел к революционному открытию — доказательству разбегания галактик. Во второй половине 20-ых годов XX века, возвратившись на родину, Леметр опубликовал (а в последующие годы уточнил и развил) модель Вселенной, появившейся в следствии взрыва сверхплотной материи, расширяющейся в соответствии с уравнениями ОТО.

Он математически доказал, что их радиальная скорость должна быть пропорциональна расстоянию от Нашей системы. Годом позднее к этому же выводу независимо пришел принстонский математик Хауард Робертсон.

А во второй половине 20-ых годов XX века Хаббл взял ту же самую зависимость экспериментально, обработав эти по удаленности двадцати четырех галактик и величине красного смещения приходящего от них света. Пятью годами позднее Хаббл и его помощник-наблюдатель Милтон Хьюмасон привели новые доказательства справедливости этого вывода, осуществив мониторинг весьма тусклых галактик, лежащих на крайней периферии замечаемого космоса. Предсказания Леметра и Робертсона всецело оправдались, и космология нестационарной Вселенной, казалось бы, одержала решительную победу.

Непризнанная модель

Но все же астрологи не торопились кричать ура. Модель Леметра разрешала оценить длительность существования Вселенной — для этого необходимо было только узнать численную величину константы, входящей в уравнение Хаббла. Попытки выяснить эту константу приводили к заключению, что отечественный мир появился всего лишь около двух миллиардов лет назад. Но геологи утверждали, что Почва большое количество старше, да и астрологи не сомневались, что в космосе полным-полно звезд более почтенного возраста.

У астрофизиков также были личные основания для недоверия: процентный состав распределения химических элементов во Вселенной на модели и основе (в первый раз эту работу в первой половине 40-ых годов XX века проделал Чандрасекар) очевидно противоречил действительности.

Скепсис экспертов разъяснялся и философскими обстоятельствами. Астрономическое сообщество только-только свыклось с мыслью, что перед ним распахнулся нескончаемый мир, населенный множеством галактик. Казалось естественным, что в собственных базах он не изменяется и существует всегда.

А сейчас ученым предлагалось признать, что Космос конечен не только в пространстве, но и во времени (к тому же эта мысль наводила на идея о божественном творении). Исходя из этого леметровская теория продолжительно оставалась не у дел. Но, еще нехорошая будущее постигла модель всегда осциллирующей Вселенной, предложенную в первой половине 30-ых годов XX века Ричардом Толманом.

Она по большому счету не взяла важного признания, а во второй половине шестидесятых годов прошлого века была отвергнута как математически некорректная.

Акции «раздувающегося мира» не через чур повысились и по окончании того, как в начале 1948 года Джордж его аспирант и Гамов Ральф Алфер выстроили новую, более реалистичную версию данной модели. Вселенная Леметра появилась из взрыва гипотетического «первичного атома», что очевидно выходил за рамки представлений физиков о природе микромира.

Джордж Ральф и Гамов Алфер высказали предположение, что Вселенная практически сразу после рождения складывалась из прекрасно известных частиц — электронов, фотонов, нейтронов и протонов. В их модели эта смесь была нагрета до больших температур и хорошо упакована в маленьком (если сравнивать с нынешним) количестве. Гамов с Алфером продемонстрировали, что в этом супергорячем супе происходит термоядерный синтез, из-за которого образуется главной изотоп гелия, гелий-4.

Они кроме того вычислили, что уже через пара мин. материя переходит в равновесное состояние, в котором на каждое ядро гелия приходится приблизительно дюжина ядер водорода.

Такая пропорция в полной мере соответствовала астрономическим данным о распределении легких элементов во Вселенной. Эти выводы скоро подтвердили Энрико Энтони и Ферми Туркевич. Они к тому же установили, что процессы термоядерного синтеза обязаны порождать мало легкого изотопа тяжёлые-3 изотопы и гелия водорода — тритий и дейтерий.

Сделанные ими оценки концентрации этих трех изотопов в космическом пространстве также совпадали с наблюдениями астрологов.

Проблемная теория

Но астрологи-практики сомневались . Во-первых, оставалась неприятность возраста Вселенной, которую теория Гамова решить не имела возможности. Расширить длительность существования мира возможно было, лишь доказав, что галактики разлетаются большое количество медленней, чем принято вычислять (в конечном итоге так и случилось, причем в большой степени посредством наблюдений, выполненных в Паломарской обсерватории, но уже в 1960-е годы).

Во-вторых, гамовская теория забуксовала на нуклеосинтезе. Растолковав происхождение гелия, трития и дейтерия, она не смогла продвинуться к более тяжелым ядрам. Ядро гелия-4 складывается из двух протонов и двух нейтронов.

Все было бы прекрасно, если бы оно имело возможность присоединить протон и превратиться в ядро лития. Но ядра из трех протонов и двух нейтронов либо двух протонов и трех нейтронов (литий-5 и гелий-5) очень неустойчивы и мгновенно распадаются. Исходя из этого в природе существует только стабильный литий-6 (три протона и три нейтрона). Для его образования методом прямого синтеза нужно, дабы с ядром гелия в один момент слились и протон, и нейтрон, а возможность этого события очень мелка.

Действительно, в условиях высокой плотности материи в первые 60 секунд существования Вселенной подобные реакции все же иногда происходят, что и растолковывает весьма малую концентрацию старейших атомов лития.

Природа приготовила Гамову еще один неприятный сюрприз. Путь к тяжелым элементам имел возможность бы лежать и через слияние двух ядер гелия, но эта комбинация также нежизнеспособна. Растолковать происхождение элементов тяжелее лития никак не получалось, и во второй половине 40-х годов это препятствие казалось непреодолимым (на данный момент мы знаем, что они рождаются лишь в стабильных и взрывающихся звездах и в космических лучах, но Гамову это не было известно).

Но, у модели «тёплого» рождения Вселенной оставалась в запасе еще одна карта, которая со временем стала козырной. Во второй половине 40-ых годов XX века Алфер и второй помощник Гамова, Роберт Герман, заключили , что космос пронизан микроволновым излучением, появившимся спустя 300 тысяч лет по окончании первичного катаклизма. Но радиоастрономы не показали интереса к этому прогнозу, и он так и остался на бумаге.

Появление соперника

Гамов и Алфер изобрели собственную «тёплую» модель в столице США, где с 1934 году Гамов преподавал в университете имени Джорджа Вашингтона. Многие продуктивные идеи появились у них под умеренную выпивку в баре «Маленькая Вена» на Пенсильвания-авеню рядом от Белого дома. А вдруг данный путь к построению космологической теории кое-кому думается экзотичным, что возможно сообщить об альтернативе, показавшейся на свет под влиянием ужастика?

В хорошей ветхой Англии, в университетском Кембридже, по окончании войны обосновались трое превосходных ученых — Фред Хойл, Герман Бонди и Томас Голд. Перед этим они трудились в радиолокационной лаборатории английских ВМФ, где и подружились. Хойлу, британцу из Йоркшира, к моменту капитуляции Германии еще не исполнилось и 30, а его друзьям, уроженцам Вены, стукнуло по 25.

Хойл и его приятели в собственную «радарную эру» отводили душу в беседах о космологии и проблемах мироздания. Все трое невзлюбили модель Леметра, но закон Хаббла приняли действительно, а потому отвергли и концепцию статичной Вселенной. По окончании войны они планировали у Бонди и обсуждали те же неприятности. Озарение снизошло по окончании просмотра кинострашилки «Мертвые в ночи».

Ее главный герой Уолтер Крейг попал в замкнутую событийную петлю, которая в конце картины возвратила его в ту же обстановку, с которой все и началось. Фильм с таковой фабулой может продолжаться вечно (как стишок о его собаке и попе). Тут-то Голд и сообразил, что Вселенная может оказаться аналогом этого сюжета — в один момент изменяющейся и неизменной!

Приятели сочли идею безумной, но позже сделали вывод, что в ней что-то имеется. Объединенными упрочнениями они перевоплотили догадку в связную теорию. Бонди с Голдом дали ее неспециализированное изложение, а Хойл в отдельной публикации «Новая модель расширяющейся Вселенной» — математические расчеты. За базу он забрал уравнения ОТО, но дополнил их гипотетическим «полем творения» (Creation field, С-поле), владеющим отрицательным давлением.

Что-то в этом роде через 3 десятилетия показалось в инфляционных космологических теориях, что Хойл подчеркивал с большим наслаждением.

Космология стабильного состояния

Новая модель вошла в историю науки как Космология стабильного состояния (Steady State Cosmology). Она провозгласила полное равноправие не только всех точек пространства (это было у Эйнштейна), но и всех моментов времени: Вселенная расширяется, но начала не имеет, потому, что постоянно остаётся аналогичной себе самой. Голд назвал это утверждение идеальным космологическим принципом.

Геометрия пространства в данной модели остается плоской, как и у Ньютона. Галактики разбегаются, но в космосе «из ничего» (правильнее, из поля творения) появляется новое вещество, причем с таковой интенсивностью, что средняя плотность материи остается неизменной. В соответствии с известным тогда значением постоянной Хаббла Хойл вычислил, что в каждом кубометре пространства в течение 300 тысяч лет рождается всего одна частица.

Сходу снимался вопрос, из-за чего устройства не регистрируют эти процессы, — они через чур медленны по людским меркам. Новая космология не испытывала никаких трудностей, которые связаны с возрастом Вселенной, данной неприятности для нее просто не существовало.

Для подтверждения собственной модели Хойл внес предложение воспользоваться данными о пространственном распределении молодых галактик. В случае если С-поле равномерно творит материю везде, то средняя плотность таких галактик должна быть приблизительно однообразной. Наоборот, модель катаклизмического рождения Вселенной предвещает, что на дальней границе замечаемого космоса эта плотность велика — оттуда к нам приходит свет еще не успевших состариться звездных скоплений.

Хойловский критерий был совсем разумным, но в то время проверить его не представлялось вероятным из-за отсутствия достаточно замечательных телескопов.

поражение и Триумф

Больше 15 лет соперничающие теории сражались практически на равных. Действительно, в 1955 году британский радиоастроном и будущий нобелевский лауреат Мартин Райл понял, что плотность не сильный радиоисточников на космической периферии больше, чем около отечественной галактики. Он объявил, что эти результаты несовместимы с Космологией стабильного состояния.

Но через пара лет его сотрудники заключили , что Райл преувеличил различия плотностей, так что вопрос остался открытым.

Но на двадцатом году судьбы хойловская космология стала скоро увядать. К этому времени астрологи доказали, что постоянная Хаббла в десять раз меньше прошлых оценок, что разрешило поднять предполагаемый возраст Вселенной до 10−20 млрд. лет (современная оценка — 13,7 млрд. лет ± 200 млн.). А в 1965 году Арно Пензиас и Роберт Вильсон зарегистрировали предсказанное Алфером и Германом излучение и тем самым сходу привлекли к теории Громадного взрыва очень много приверженцев.

Вот уже сорок лет эта теория считается стандартной и общепризнанной космологической моделью. У нее имеется и соперники различных возрастов, но вот теорию Хойла действительно никто больше не принимает. Ей не помогло кроме того открытие (во второй половине 90-ых годов двадцатого века) ускорения разлета галактик, о возможности которого писали и Хойл, и Бонди с Голдом.

Ее время бесповоротно ушло.

Громадный взрыв

Сотворение Вселенной заняло вовсе не шесть дней — главная часть работы закончилась значительно раньше.

0. Громадный взрыв.

Планковская эра

10−43 с. Планковский момент. Происходит отделение гравитационного сотрудничества. Размер Вселенной сейчас равен 10−35 м (т.н.

Планковская протяженность).

10−37 с. Инфляционное расширение Вселенной.

Эра великого объединения

10−35 с. Разделение сильного и электрослабого сотрудничеств.

10−12 с. Отделение не сильный сотрудничества и окончательное разделение сотрудничеств.

Адронная эра

10−6 с. Аннигиляция протон-антипротонных пар. антикварки и Кварки перестают существовать, как свободные частицы.

Лептонная эра

1 с. Формируются ядра водорода. Начинается ядерный синтез гелия.

Эра синтеза

3 60 секунд. Вселенная состоит на 75% из водорода и на 25% из гелия, и следовых количеств тяжелых элементов.

Радиационная эра

1 семь дней. К этому времени излучение термализуется.

Эра вещества

10 тыс. лет. Вещество начинает господствовать во Вселенной.

380 тыс. лет. Ядра водорода и электроны рекомбинируют, Вселенная делается прозрачной для излучения.

Звездная эра

1 млрд. лет. Формирование первых галактик.

1 млрд. лет. Образование первых звезд.

9 млрд. лет. Образование Нашей системы.

13,5 млрд. лет. Текущий момент.

Научная элита

Не обращая внимания на то, что космология стабильного состояния канула в Лету, ее авторы стали элитой всемирный науки и оставили в истории большой след. Фред Хойл (1915−2001) получил глобальную известность как отец-основатель теории звездного синтеза и классик астрофизики (и как писатель-популяризатор и фантаст науки). Герман Бонди (1919−2005), эмигрировавший в Англию еще до Второй мировой войны, остался в том месте и по окончании войны.

Он стал наибольшим экспертом по ОТО, трудился главным научным консультантом минобороны и минэнергетики Англии, взял (как и Хойл) дворянство, был генеральным директором Европейской организации космических изучений (сейчас Космическое агентство ЕС), президентом нескольких научных обществ, ректором одного из кембриджских колледжей. Томас Голд (1920−2004) в конце 1950-х перебрался в Соединенных Штатах, в Корнеллский университет, где трудился до конца жизни. Он выполнил наиболее значимые изучения космического магнетизма (термин «магнитосфера» — его изобретение), совместно с Хойлом внес предложение модель пульсара как вращающейся нейтронной звезды с сильным магнитным полем а также выдвинул элегантную, но, вероятнее, неправильную теорию нефти и тектонического происхождения угля.

Крестный отец

Гамовскую теорию продолжительное время именовали в полной мере академично — «динамическая эволюционирующая модель». А словосочетание «Громадной взрыв», как ни необычно, ввел в оборот не создатель данной теории а также не ее приверженец. Во второй половине 40-ых годов XX века продюсер научных программ BBC Питер Ласлетт внес предложение Фреду Хойлу подготовить серию из пяти лекций.

Хойл блистал перед микрофоном и мгновенно купил множество поклонников среди радиослушателей. В последнем выступлении он заговорил о космологии, поведал о собственной модели и под конец решил свести счеты с соперниками.

Их теория, сообщил Хойл, «основана на предположении, что Вселенная появилась в ходе одного-единственного замечательного взрыва и потому существует только конечное время Эта мысль Громадного взрыва думается мне совсем неудовлетворительной». Вот так в первый раз и показалось это выражение. На русский его возможно перевести и как «Громадный хлопок», что, возможно, правильнее соответствует уничижительному смыслу, что положил в него Хойл.

Через год его лекции были опубликованы, и новый термин отправился гулять по свету.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№43, май 2006).

Лучшие драки Жириновского в прямом эфире (full)


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: