Главная Обратная связь

Дисциплины:






Создание Теории Большого Взрыва



 

Традиционно основу создания космологической теории Большого взрыва (именно основания, т.к. в последствии теория сильно менялась и даже по сегодняшний день имеет несколько формулировок) можно приписать работам четырех ученых: Александра Александровича Фридмана, Жоржа Леметра, Георгия Антоновича Гамова и Эдвина Хаббла.

Эйнштейн создал общую теорию относительности в 1916 году. Сам он рассматривал Вселенную как статичное, не меняющееся во времени образование. Но такой подход имел недостаток: он упирался во Второй Закон Термодинамики (в весомости которого никто из ученых не сомневался), согласно которому все процессы в мире идут так, что энергия от более горячих тел переходит к более холодным, но ни в коем случае не наоборот. Значит, температуры различных тел должны с течением времени сближаться, а источники свободной энергии – истощатся. Так значит, если Вселенная существует вечно, то все источники должны были давным-давно иссякнуть, а звезды – потухнуть. Так почему же этого не произошло? Ответ на этот вопрос был найден независимо сразу двумя учеными, впрямь как закон Ломоносова-Лавуазье. Александр Фридман в 1922-1924 и Жорж Леметр в 1927 г. сумели доказать, что уравнения Эйнштейна допускают и такое решение: первоначально вся Вселенная была сосредоточенна в одной точке, (названной условно "папой-атомом") а затем начинает расширяться, и так появляются галактики и звезды в них. То есть вселенная, иными словами, была не стационарной, как считал ее Эйнштейн, а динамической то есть изменяющейся с течением времени, что не противоречило второму закону термодинамики (иными словами, источники просто еще не успели иссякнуть, а звезды – потухнуть). После публикации статьи Фридмана "О кривизне пространства", в которой он изложил свои взгляды о динамической модели Вселенной, Эйнштейн назвал такой подход ошибочным и принципиально неверным. Однако после того как Фридман отправил ему письмо с разъяснениями своей теории, он официально согласился со своим русским коллегой и признался, что его первоначальная критика была основана на ошибке в вычислениях. Он признал, что его теория относительности может иметь несколько решений, и когда Леметр в 1927 году независимо от Фридмана другим путем решений пришел к тому же результату, возражать он не стал. Кстати, Леметр первым предположил, что при расширении "папы-атома" температура была крайне высока, но доказать этого он не смог.

С другой стороны, теория теорией, но физика – наука экспериментальная и редкая теория без доказательства на практике получает широкое распространение. Физики привыкли многократно повторять свои измерения, чтобы избежать любых, даже самых, казалось бы, ничтожных погрешностей и ошибок. А как на практике, опыте, эксперименте доказать столь обширную и основополагающую теорию?




Однако это удалось сделать в 1929 году выдающемуся астроному Эдвину Хабблу. Своими тщательными измерениями он доказал, что давно известные туманности, ранее считавшиеся всего лишь облаками газа, на самом деле являются галактиками, при этом по размерам они вовсе не уступают нашей и удаленны от нас на миллиарды световых лет. И что самое интересное, эти галактики движутся, удаляясь от нас со скоростями, тем большими, чем дальше они отстоят. Наиболее вероятным объяснением такого факта является предположение, что некогда все галактики, вся материя Вселенной находилась в одной точке, откуда она разлеталась во все стороны, о чем сам Хаббл и писал в своих работах. Это, хоть и косвенно, но подтверждало теорию Фридмана – Леметра, получившую из-за этого широкий общественный резонанс (до этого теория, не смотря на внимание к ней Эйнштейна, широкой известности не обрела – в те времена было много научных открытий и событий, имевших более очевидный для широкий публики смысл, например – авиастроение).

И тут следующий шаг был сделан Григорием Антоновичем Гамовым, которого по уровню энтузиазма, чувства юмора и неформального отношения к своей работе можно называть Генрихом Шлиманом от физики. Он показывает, что этот самый папа-атом не просто вдруг начал расширяться во всю Вселенную (так называемая "холодная модель"), он должен был взорваться. Модель эту он называет "Big Bang' ом" (очень простонародное по тому времени отношении к иностранному языку), Большим Взрывом, и излагает ее сначала в заметке 1946 года, а потом статье 1948 года "Происхождение химических элементов", написанной вместе с учеником Ральфом Альфером.

Гамов вообще был большой шутник. В этой статье, по воспоминаниям физика А.Абрахама, его близкого друга, Гамов и Альфер "... взяли в соавторы Бёте (не спрося его) лишь потому, что Гамову понравилась комбинация "альфа, бета, гамма"... Как позже вспоминал Гамов, он просил своего сотрудника Германа, также работавшего над этой теорией, сменить фамилию на "Дельтер", что бы ряд был полным, но тот "...с тупым упрямством отказывался", как сокрушался Гамов". Теория эта довольно долго так и цитировалась: "Теория альфа-бета-гамма..."

Теория Гамова позволила распределить по времени и по температуре стадии образования Вселенной: сейчас уже общепринятыми стали выражения (и, конечно, теории): "стадия образования кварков", "стадия нуклеосинтеза", "отделение излучений", "формирование групп галактик" и так далее.

Теория эта породила множество споров между сторонниками "горячей" и "холодной" моделями. Главный вопрос был следующий: если такой взрыв имел место быть, то уже на довольно ранних стадиях должно было возникнуть пронизывающее весь мир электромагнитное излучение, распределение которого должно было соответствовать температуре в момент излучения (многие миллиарды градусов). Но по мере расширения Вселенной частоты этого первичного (его назвали "реликтовым") излучения должны были вследствие эффекта Доплера убывать, и к настоящему времени, по оценкам Гамова, соответствовать температуре около трех-четырех градусов по Кельвину, т.е. быть сосредоточены в районе длин волн в несколько сантиметров.

Заключение это не было подкреплено сколь либо убедительными доказательствами, а вся теория, переполненная новыми понятиями, обильными допущениями и упрощениями, казалась чем-то фантастичным и далеким от реальности. В начале 60-х в журнале "Успехи физических наук", в статье, посвященной моделям Вселенной, выдающийся советский физик Я.Б.Зельдович назовет Гамова "человеком жалкой судьбы".

Доказательство появилось случайно. В 1965 году А.Пензиас и Р.Вильсон, конструировавшие антенны для радиоэлектроники, обнаруживают равномерно идущее во всех направлениях электромагнитное излучение, соответствующее температуре в 3 Кельвина! Как выяснилось, это вовсе не сбой аппаратуры, а именно то излучение, о котором говорил Гамов!

Обидно, правда, что оба "открывателя" в своей статье, посвященной открытию, даже не упомянули о Гамове, что порядком расстроило его. Хотя позже, на конференции, посвященной этому открытию, Гамов выступил с речью: "Если я потерял монетку, а кто-то другой нашел монетку, то я не сумею доказать, что она принадлежала мне. Но я-то потерял монетку в том самом месте, где ее нашли!". Последовали аплодисменты из зала... Но Нобелевскую премию Дали Пензиасу и Вильсону, а не Гамову. Может, потому, что шведы боялись награждать иммигранта из СССР (ведь дипломатически пострадали они за то, что дали Премию не Максиму Горькому, а Ивану Бунину), а может, потому, что Гамов не боролся за эту премию... Да и вообще Гамов мог бы получить три Нобелевские премии, (за астрономическую теорию красных гигантов, теорию "горячего" сотворения мира и составления алфавита ДНК) но каждый раз его отклоняли. Но мы отвлеклись.

Существует еще одно доказательство разлета галактик. В лаборатории атомы испускают и поглощают свет всегда на определенных длинах волн. То же наблюдается и в спектрах далеких галактик, но со смещением в длинноволновую область. Астрономы говорят, что излучение галактики испытывает красное смещение. Объяснение простое: при расширении пространства световая волна растягивается и поэтому ослабевает. Если в течение того времени, пока световая волна дошла до нас, Вселенная расширилась вдвое, то и длина волны удвоилась, а ее энергия ослабла в два раза. Процесс можно описать в терминах температуры. Испускаемые телом фотоны имеют распределение по энергии, которое в целом характеризуют температурой, указывающей, насколько тело горячее. Когда фотоны движутся в расширяющемся пространстве, они теряют энергию и их температура снижается. Таким образом, Вселенная при расширении охлаждается, как сжатый воздух, вырывающийся из баллона аквалангиста. Измерения подтверждают, что Вселенная со временем охлаждается (этот вывод впервые был сделан все тем же Гамовым, но не имел доказательств; доказали его позже, а о Гамове в который раз "забыли").

В связи между красным смещением и скоростью также существуют некоторые противоречия. Красное смещение, вызванное расширением, часто путают с более знакомым красным смещением, вызванным эффектом Доплера, который обычно делает звуковые волны более длинными, если источник звука удаляется. То же верно и для световых волн, которые становятся более длинными, если источник света отдаляется в пространстве. Согласно формуле Доплера, если скорость объекта в пространстве приближается к скорости света, то его красное смещение стремится к бесконечности, а длина волны становится слишком большой и поэтому недоступной для наблюдения. Если бы это было верно для галактик, то самые отдаленные видимые объекты на небе удалялись бы со скоростью, заметно меньшей скорости света. Но космологическая формула для красного смещения приводит к другому выводу. В рамках стандартной космологической модели галактики с красным смещением около 1,5 (то есть принимаемая длина волны их излучения на 50% больше лабораторного значения) удаляются со скоростью света. Астрономы уже обнаружили около 1000 галактик с красным смещением больше 1,5. А значит, нам известно около 1000 объектов, удаляющихся быстрее скорости света. Реликтовое излучение приходит с еще большего расстояния и имеет красное смещение около 1000. Когда горячая плазма молодой Вселенной испускала принимаемое нами сегодня излучение, она удалялась от нас почти в 50 раз быстрее скорости света.

Тем временем сама теория в последствии была много раз интерпретирована, переложена и дополнена многими учеными. Основной вклад в решении проблем Теории Большого Взрыва внес Стивен Хоукинг, причем вклад не теоретический, а весьма, можно сказать, практический – более двух тысяч страниц вычислений и уравнений, посвященных описанию появления частиц и галактик, огромное подспорье для последующих исследователей. И сделал это человек, прикованный с юности с креслу-коляске, лишенный голоса и возможности шевелить руками, общающийся с окружающим миром с помощью голосового синтезатора со скоростью 15 слов в минуту.

 

Часть вторая





sdamzavas.net - 2019 год. Все права принадлежат их авторам! В случае нарушение авторского права, обращайтесь по форме обратной связи...