Походження Всесвіту: теорія «Великий вибух, але не такий, яким ми його знаємо»

1. Великий вибух і радянський слід
2. Теорія стаціонарного Всесвіту
3. Альтернативна теорія Великого вибуху
4. Складнощі перекладу
5. Нобелівська премія, яка спливла з рук

Алена Лепилина

Всі чули про теорію Великого вибуху, яка пояснює (по крайней мере, на даний момент) зародження нашого Всесвіту. Однак у вчених колах завжди знайдуться бажаючі оскаржити ідеї - з цього, до речі, нерідко і виростають великі відкриття.

Астрофізик Джон Гриббин в своїй книзі розповідає про різні теорії походження Всесвіту, про реліктовому випромінюванні, про цікаву, майже детективної історії його виявлення, в якій «замішані» радянські фізики, і про Нобелівську премію, буквально уплившей з рук.

Великий вибух і радянський слід

До середини 1940-х років стало ясно, що більшу частину видимої матерії у Всесвіті складають водень і гелій. Яскраві зірки і галактики складаються з водню приблизно на 75% і з гелію приблизно на 24%. Водень - найпростіший елемент: кожен його атом складається всього з одного протона і одного електрона, тому фізики не могли зрозуміти, як же сформувалися інші елементи.

Першим вченим, який застосував космологічні ідеї в спробі зрозуміти походження хімічних елементів, став Георгій Гамов - фізик - емігрант з СРСР. Отримавши підтвердження того, що Всесвіт безперервно розширюється - тоді це відкриття тільки було зроблено - Гамов першим підтримав ідею, що вона утворилася з вихідного щільного та гарячого стану під впливом того, що ми сьогодні називаємо Великим вибухом.

Гамов припустив, що спочатку був гарячий, щільний газ. І він складався з нейтронів - дуже нестабільних частинок, які швидко розпадаються і утворюють атоми водню. А стикаючись один з одним, вони можуть утворювати ще і гелій. Однак в теорії був пробіл.

Гамов разом зі своїм аспірантом Альфером з'ясував, що отримати так гелій дійсно нескладно. Однак більш важкі елементи, які теж присутні у Всесвіті, просто не встигли б сформуватися - Всесвіт охолола б раніше, чим би завершився процес. Гамова це не збентежило. Ніколи не сумнівався в своїх силах вчений заявив, що його теорія пояснює походження 99% видимого Всесвіту, так що інше - всього лише деталі, які можна залишити для з'ясування іншим дослідникам.

Теорія стаціонарного Всесвіту

Незважаючи на те, що Гамов разом з колегами зробив ключовий крок у космології хоча б тому, що вперше довів можливість проведення наукових розрахунків в рамках теорії Великого вибуху, залишалися білі плями. Питання походження всіх елементів, крім водню і гелію, висів у повітрі.

Неясність з походженням елементів і ядерним синтезом стала однією з причин, по якій в тому ж 1948 році Германом Бонди, Томмі Голдом і Фредом Хойлом була висунута альтернатива Великому вибуху - теорія стаціонарного Всесвіту.

В основі їх концепції лежала ідея, що хоча Всесвіт і розширюється (скупчення зірок, звані галактиками, відходять далі один від одного), вона не утворилася в конкретний момент часу з якогось гарячого і щільного стану - а завжди мала приблизно нинішній вигляд.

У міру розширення в проміжках між галактиками виникає нова матерія у вигляді атомів водню, яка потім включається в нові зірки і галактики. Далі всередині зірок відбувається ядерний синтез. Хойл виявив, що, хоча ядерний синтез всередині зірок дійсно пояснював виникнення горезвісного 1% матерії, пояснити походження всього гелію у Всесвіті з його допомогою було неможливо.

Для інтерпретації всіх елементів у видимому Всесвіті необхідно було використовувати ще і ідею ядерного синтезу відповідно до теорії Великого вибуху ...

Альтернативна теорія Великого вибуху

Роберт Дікке, американський фізик, відомий своїми роботами в області астрофізики, атомної фізики, космології і гравітації. І однією цікавою ідеєю. Зовсім коротко ідею Дікке можна назвати «Великий вибух, але не такий, яким ми його знаємо».

Дікке бентежила думка, що вся матерія у Всесвіті могла бути створена за частку секунди під час Великого вибуху, але йому не здавалося правдоподібним і те, що матерія складається безперервно в проміжках між галактиками . Втім, існував ще й третій варіант - так звана циклічна Всесвіт.

Відповідно до цієї теорії, кількість матерії у Всесвіті залишається незмінним, але після фази розширення настає фаза стиснення: Всесвіт доходить до гарячого і щільного стану, як перед Великим вибухом, і знову розширюється, відроджуючись, немов Фенікс.

Масивне скупчення галактик під назвою Abell один тисяча шістсот вісімдесят дев'ять і безліч більш віддалених галактик; сфотографовано космічним телескопом «Хаббл». Фото з книги «Інтерстеллар. Наука за кадром »

Однак, зрозумів Дікке, якби ця модель була реальною, то не було б двох видів зірок - Населення I і Населення II, молодих і старих зірок. А вони були. Значить, Всесвіт навколо нас все-таки розвинулася з гарячого і щільного стану. Навіть якщо це був не єдиний в історії Великий вибух.

Дивно, правда? Раптом цих вибухів було кілька? Десятки, сотні? Науці ще належить це з'ясувати. Дікке запропонував своєму колезі Піблс прорахувати необхідну для описаних процесів температуру і ймовірну температуру залишкового випромінювання в наші дні. Приблизні розрахунки Піблс показали, що сьогодні Всесвіт повинна бути наповнена мікрохвильовим випромінюванням з температурою менше 10 К, і Ролл з Уїлкинсоном вже готувалися шукати це випромінювання, коли пролунав дзвінок ...

Складнощі перекладу

Однак тут варто перенестися в інший куточок земної кулі - в СРСР. Ближче всіх до відкриття реліктового випромінювання підійшли (і теж не довели справу до кінця!) В СРСР. Проробивши протягом декількох місяців величезну роботу, звіт про яку вийшов в 1964 році, радянські вчені склали, здавалося, всі частини головоломки, не вистачило лише однієї. Яків Борисович Зельдович, один з колосів радянської науки, здійснив розрахунки, аналогічні тим, що провів колектив Гамова (радянського фізика, жівушій в США), і теж прийшов до висновку, що Всесвіт мала розпочатися з гарячого Великого вибуху, який залишив фонове випромінювання з температурою в кілька кельвінів.

Він навіть знав про статтю Еда Ома в «Технічному журналі Bell System», який приблизно вирахував температуру реліктового випромінювання, але невірно інтерпретував висновки автора. Чому ж радянські дослідники не зрозуміли, що Ом вже відкрив це випромінювання? Через помилку в перекладі. У статті Ома стверджувалося, що виміряна їм температура неба склала близько 3 К. Це означало, що він вирахував всі можливі джерела радіоперешкод і що 3 К - це температура залишився фону.

Однак за випадковим збігом такий же (3 К) була і температура випромінювання атмосфери, поправку на яку Ом теж зробив. Радянські фахівці помилково вирішили, що саме ці 3 К і залишилися у Ома після всіх попередніх коригувань, відняли і їх і залишилися ні з чим.

У наші дні подібні помилки розуміння легко усунулися б в процесі електронного листування, але на початку 1960-х років комунікація між вченими Радянського Союзу і Сполучених Штатів була дуже ускладнена. Це і стало причиною настільки образливою помилки.

Нобелівська премія, яка спливла з рук

Повернемося в день, коли в лабораторії Дікке пролунав телефонний дзвінок. Виявляється, в цей же час астрономи Арно Пензіас і Роберт Вільсон повідомили, що їм випадково вдалося вловити слабкий радіошум, що надходить з усього космічного простору . Тоді вони ще не знали, що інший колектив вчених самостійно прийшов до ідеї існування такого випромінювання і навіть почав будувати детектор для його пошуку. Це був колектив Дікке і Піблс.

Ще дивніше і те, що космічне мікрохвильове фонове, або, як його ще називають, реліктове, випромінювання було більш ніж за десять років до цього описано в рамках моделі виникнення Всесвіту в результаті Великого вибуху Георгієм Гамовим і його колегами. Ні одна, ні друга група вчених про це не знала.

Пензиас і Вільсон випадково дізналися про роботу вчених під керівництвом Дікке і вирішили їм зателефонувати, щоб обговорити це. Дікке уважно вислухав Пензиасом і зробив кілька зауважень. Поклавши трубку, він повернувся до колег і сказав: «Хлопці, нас обскакали».

Майже через 15 років, після того як безліч вимірів, зроблених на самих різних довжинах хвиль багатьма групами астрономів, підтвердили, що відкрите ними випромінювання дійсно реліктове відлуння Великого вибуху, що має температуру 2,712 К, Пензиас і Вільсон розділили Нобелівську премію за свій винахід. Хоча спочатку вони навіть не хотіли писати статтю про своє відкриття, тому що вважали його неспроможним і не вкладається в модель стаціонарного Всесвіту, якою вони дотримувалися!

Кажуть, Пензиас і Вільсон вважали б для себе достатнім згадка в якості п'ятого і шостого імені в списку після Дікке, Піблс, Ролла і Уїлкінсона. В такому випадку Нобелівська премія, мабуть, пішла б Дікке. Але все сталося так, як сталося.

За матеріалами книги «13.8. У пошуках справжнього віку Всесвіту і теорії всього »

PS: Підписуйтесь на нашу розсилку . Раз на два тижні будемо надсилати 10 найбільш цікавих і корисних матеріалів з блогу МІФ.