Гамов, Большой Взрыв, Хойл и все-все-все. Последнее интервью 4.68

Изменено: 03.09.2015 Posted on
Ниже - конец интервью (подробнее о споре можно см.ВИКИ-т.стац.Вселенной:

(Противостояние «Стационарная Вселенная— Большой Взрыв» походило на противостояния разных теорий в геологии и других науках….(1а- со времен Бюффона и Кювье, если не Эмпедокла) спор между теорией однородности [мнение о том, что Земля приобрела свою теперешнюю форму в результате постепенных изменений в прошлом] и теорией катастроф [изменения в результате ужасных катаклизмов]…влияния комет и астероидов, которые становились причинами массовых вымираний или разрушения и смещения континентов в результате тектонических сдвигов.)

Лекции Би-Би-Си

Хойл всегда любил хорошую драку. В 1949 году его и Гамова пригласила Британская радиовещательная корпорация (Би-Би-Си) для проведения дискуссии о происхождении Вселенной. Во время этих передач Хойл, оспаривая теорию Большого Взрыва, и дал ей, собственно, такое название: «Эти теории основывались на гипотезе о том, что вся материя во Вселенной была создана в результате одного Большого Взрыва, происшедшего в определенное время в далеком прошлом». Это название пристало. Теория Гамова отныне была официально названа теорией Большого Взрыва, и название это придумал ее величайший враг. (Позднее Хойл заявил, что не имел в виду унизить противника. «Я ни в коем случае не выдумал это название для уничижения. Оно было выбрано в качестве аргумента в споре», — признался он.)

(В течение многих лет сторонники теории Большого Взрыва героически пытались это название изменить. Они недовольны этой, почти вульгарной коннотацией названия теории, а также тем фактом, что его изобрел основной ее противник. Языковых пуристов особенно раздражало то, что название и по сути-то абсолютно неверно. Во-первых, Большой Взрыв не был большим (поскольку это был взрыв некоего крошечного образования, намного меньшего, чем атом), а во-вторых, взрыва как такового не было (поскольку в открытом космосе нет атмосферы). В августе 1993 года журнал «Небо и Телескоп» объявил конкурс на новое название теории Большого Взрыва. На конкурс было представлено тринадцать тысяч предложений, но жюри не смогло выбрать из них вариант лучше первоначального.)

Хойл прославился своими знаменитыми радиолекциями на Би-Би-Си, посвященными науке. В 1950-х годах Би-Би-Си планировала транслировать научные лекции в субботу вечером. Однако, когда изначально приглашенный гость отказался прийти, продюсеры вынуждены были искать замену. Хойл, хотя потом они нашли в его досье «Этого человека мы опасаемся приглашать» от продюсера,  прочитал миру пять захватывающих лекций, очаровал всю нацию и даже вдохновил молодое поколение будущих астрономов. Астроном Уоллес Сарджент вспоминает: «Когда мне было пятнадцать, я послушал лекции Фреда Хойла по Би-Би-Си под названием «Природа Вселенной». Сама мысль о том, что вы знаете, какова температура и плотность в центре Солнца, чудовищно шокировала. В пятнадцатилетнем возрасте казалось, что такие вещи лежат за пределами возможного знания. Шокировали не просто сами цифры, а тот факт, что их вообще можно узнать».

Звездный синтез

Хойл был в восторге от идеи (Эддингтона и др.?), что элементы Вселенной испеклись не в топке Большого Взрыва, как считал Гамов, а в звездном ядре…потребность в существовании Большого Взрыва вообще отпадала.

В 1940-50-е годы, Хойл и его коллеги описали в подробностях, как ядерные реакции в ядре звезд, а не в пламени Большого Взрыва присоединяли все больше и больше протонов и нейтронов к ядрам водорода и гелия до тех пор, пока не были созданы все тяжелые элементы, во всяком случае до железа. (Они решили загадку, как создать элементы с массовым числом выше 5, которая поставила в тупик Гамова…3а=6С*, см.Вайнберг о «окончательной теории»… — неустойчивая форма углерода, состоящая из трех ядер гелия, могла бы просуществовать достаточно долго, чтобы послужить «мостом» для создания следующих элементов… с массовым числом выше 5 и 8. Ее обнаружение блестяще «продемонстрировало», что нуклеосинтез происходит в ядрах звезд, а не при Большом Взрыве. Хойл даже создал большую компьютерную программу, определяющую почти с первых шагов относительное содержание элементов во Вселенной). Но и Т звезд недостаточно, чтобы «испечь» такие элементы, как медь, никель, цинк и уран (энергия при слиянии элементов тяжелее железа обратна из-за отталкивания протонов в ядре, вероятно, из-за упаковочного коэффициента — ПУ (1+12)а, по модели Полинга, №26 — железа (интересно совпадение его А=56, м.б.как кластера а+4С-13, с одноименной сурой Корана, используемое исламской наукой, типа А.Салама!)

Выходом оставался взрыв массивных, или сверхновых звезд (СН, как СН87, подтвердившая расчеты Гамова-Шенберга н.1940-х), температура может достигать триллионов градусов, и энергии достаточно для преодоления отталкивания З2/г и «приготовления» элементов тяжелее железа. Отсюда приняли, что наши тела, Земля и  большинство элементов тяжелее железа — результат взрыва сверхновых звезд.

В1957 годуХойл с Маргарет и Джефри Бербиджами и Уильямом Фаулером (сделанного НЛ-1984 без Хойла) опубликовал наиболее значительную работу, где в подробностях были представлены все этапы, необходимые для создания элементов во Вселенной и для определения их распространенности. Даже Гамову пришлось признать, что Хойл представил убедительнейшую картину нуклеосинтеза,  сочинив следующий экспромт в библейском стиле (см.Библия Гамова, БГ, и в ММЛ*:

«В начале, когда Бог создавал элементы, волнуясь при счете, Он пропустил, не назвал массу пять, а потому, естественно, не могли образоваться тяжелые элементы. Бог был очень разочарован и поначалу хотел снова взорвать Вселенную, а затем начать все сначала. Но это было бы слишком просто. Тогда всемогущий Бог решил исправить свою ошибку самым невероятным образом. И сказал Бог: Да будет Хойл. И появился Хойл. И посмотрел Бог на Хойла… И велел ему сотворить тяжелые элементы так, как ему вздумается. И Хойл решил сотворить тяжелые элементы в ядрах звезд и распространять их по Вселенной с помощью взрывов сверхновых….»

Но при этом Гамов высказал новый принцип — независимости результата и содержания элементов (х.э. далее) от пути синтеза, в БВ или звездах:

«так, чтобы результат синтеза в звездах не отличался от получаемого в БВ, если бы Бог не пропустил массу А=5».

Этот принцип может быть гораздо важнее и самым общим, включая и весь синтез в звездах как альтернативу гравитационному сжатию-коллапсу, по Пенроузу и др., с независимостью энергии и энтропии-вероятности от пути, и др.

Аргументы против теории стационарной Вселенной

Однако в течение десятилетий во всех направлениях науки накапливалось все больше доказательств, опровергающих «теорию стационарной Вселенной». Хойл обнаружил, что его борьба обречена на верный проигрыш. По его теории, поскольку Вселенная не эволюционировала, а постоянно создавала новую материю, ранняя Вселенная должна была выглядеть очень похожей на Вселенную наших дней. Видимые нам сегодня галактики тоже должны были походить на те галактики, что существовали миллиарды лет назад. Теория стационарной Вселенной могла быть опровергнута, если бы были обнаружены признаки значительных эволюционных изменений Вселенной на протяжении миллиардов лет.

В 1960-е годы в космическом пространстве обнаружили загадочные источники невероятной энергии, названные «квазарами», или квазизвездными объектами (позднее их использовали в названии марки телевизора и определении координат-ГПС). Их невероятные количества энергии с красным смещением огромной величины,  расстоянием миллиардов световых лет от нас представляли Вселенную  в раннем ее детстве (сегодня  считают, что квазары — это гигантские молодые галактики, ведомые энергией огромных черных дыр). У нас нет доказательства существования каких-либо квазаров сегодня, хотя согласно теории стационарной Вселенной они должны существовать. За миллиарды лет они исчезли (см.ближайший квазар — распределение). Еще одна проблема — гелия, больше чем в стационарной Вселенной. Гелий, известный как газ, используемый для надувания воздушных шаров и небольших дирижаблей, в действительности довольно редок на Земле, но только из-за летучести — распределения х.э.в СС, считаясь вторым по относительному содержанию элементом во Вселенной после водорода. Поэтому он впервые и был обнаружен не на Земле, а на Солнце, и назван по имени его греч.бога — Гелиоса (При затмении 1868 году Локьер и др. анализировали свет Солнца, проходящий через призму. Преломленный луч света распадался на обычную радугу цветов и спектральных линий, но ученые обнаружили нечеткие спектральные линии, вызванные загадочным элементом, никогда не виденным ранее. Они ошибочно посчитали, что это металл, а названия металлов (в английской терминологии) оканчиваются на 1ит, например lithium (литий), uranium (уран), дали название helium (гелий) от греческого названия Солнца,«Helios». Когда же в 1895 году гелий был найден на Земле в залежах урана, ученые с большим смущением обнаружили, что это газ, а не металл. Так название гелия, впервые открытого на Солнце, изначально оказалось связанным с различием не-металлов. Астрономы сегодня называют металлами все х.э. тяжелее гелия, фактически — синтезируемые в звездах, по Хойлу)

Если первичный гелий в основной своей массе рождался в звездных ядрах, как считал Хойл, он должен был быть довольно редким и находиться в недрах звезд. Но его нашли 25 % от всей массы атомов во Вселенной и однородно распространенным по ней (как и предполагал Гамов).

Сегодня мы знаем истину и в теории Гамова, и в теории Хойла относительно нуклеосинтеза. Гамов считал, что все химические элементы были побочным результатом, или золой, Большого Взрыва. Но его теорию убили провалы на пяти и восьми нуклонах (а+1 и 2а, неустойчивы аналогично химическим соединениям НеН и Не2). Хойл же считал, что смог зачеркнуть теорию Большого Взрыва, показав, что в звездах «пекутся» все элементы — к Большому Взрыву прибегать нет никакой потребности. Но его теории не удалось объяснить огромный процент гелия, существующий, как нам известно, во Вселенной.

По существу, Гамов и Хойл дали нам взаимодополняющую картину нуклеосинтеза. Очень легкие элементы с массой до 5 и 8 действительно возникли в результате Большого Взрыва, как и предполагал Гамов, — большая часть дейтерия, гелия-3, гелия-4 и №3- лития-6-7 в природе. Но более тяжелые элементы были, в основном, созданы в ядрах звезд, как утверждал Хойл. Если мы прибавим элементы тяжелее железа (медь, цинк и золото),  сверхновых звезд, то мы получим завершенную картину, объясняющую соотношение всех элементов во Вселенной. (Любая теория, соперничающая с нынешними взглядами космологов, столкнулась бы с задачей сложнее: объяснить их лучше, сотни элементов и изотопов)

Как рождаются звезды

Одним из неожиданных результатов жаркого спора стала теория эволюции звезд…с выводом, что мы — наши тела состоят из звездной пыли, из звезд, которые погибли миллиарды лет назад.

После взрыва сверхновой (СН) остается лишь то, что сегодня называется нейтронной звездой (НЗ), которая состоит из плотного ядерного вещества, сжатого до размеров о.Манхэттен — ок. 30 км (Впервые существование нейтронных звезд было предсказано в 1933 году Фрицем Цвикки, но несмотря на теории Ландау и др., даже н-ядра звезд и Солнца, казалось фантастичным, на протяжении десятилетий до открытия регулярных радиосигналов, не от «братьев по разуму», а от пульсаров — Джоз Белл, аспиранткой Хьюиша — и присуждение НП только ему вызвало критику и Хойла и ссору с НК, не давшим ему НП-84 с Фаулером). НЗ оказались не мертвыми, а активными!- Поскольку нейтронная звезда испускает излучение нерегулярно, а также вращается с огромной скоростью, она похожа на вращающийся маяк, испускающий вспышки света в процессе вращения. При наблюдении с Земли кажется, что нейтронная звезда пульсирует, отсюда и ее название — пульсар.

Чрезвычайно большие звезды, имеющие массу, возможно, в 40 раз превышающую массу Солнца, взорвавшись в конце концов как сверхновые, могут оставить после себя нейтронную звезду больше трех солнечных масс. Гравитация этой нейтронной звезды настолько велика, что она может противодействовать силе отталкивания, возникающей между нейтронами (хотя это отталкивание согласно принципу неопределенности само пока неопределенно и возможны промежуточные состояния нуклонов-гиперонов и звезд типа гиперонных и преонных), и звезда совершит свой заключительный коллапс и превратится в самый необычный, скорее всего, объект Вселенной — черную дыру (ЧД, см.в пятой главе ссылки).

Птичий помет-голуби  и Большой Взрыв

Смертельным ударом в самое сердце теории стационарной Вселенной стало открытие Арно Пензиаса и Роберта Вильсона в 1965 году. Работая с шестиметровым радиотелескопом в лаборатории Белл в городе Холмдел, они, ловя радиосигналы из космоса, поймали странный радиошум. Сначала они решили, что этот шум — результат какого-то отклонения в работе системы, поскольку получалось, что шум поступает равномерно со всех направлений, а не от конкретной звезды или галактики. Чтобы исключить возможное влияние грязи и мусора, они тщательно отчистили рупор телескопа от голубей и того, что Пензиас деликатно назвал «слоем белого диэлектрического вещества» (популярное его название у астрономов — «птичий помет»). В результате сила радиошума только возросла. Они и не подозревали, что случайно наткнулись на микроволновое реликтовое излучение, существование которого было предсказано Георгием Гамовым и его коллегами еще в 1948 году. Пибблс и другие признали это и его «Космология Гамова» в последней, 15-й гамовской конференции в Одессе (2015) — лучшее свидетельство этого.

История космологии, как и многих наук, напоминает фильмы и истории о полицейских, в которых разные группы пытаются вести следствия, не подозревая о существовании друг друга. С одной стороны, после Фридмана и Леметра  Гамов, Альфер и Херман заложили основы теории микроволнового реликтового излучения в 1948 году; они предсказали, что температура этого излучения составляет 5 градусов выше абсолютного нуля. Идею  измерения микроволнового космического излучения они оставили, поскольку не догадались о форме его, теплового распределения Планка для 3 К в отличии от тысяч К звезд, думали, что приборы, имевшиеся тогда в их распоряжении, не обладали достаточной чувствительностью даже для того, чтобы его обнаружить. В СССР ранее и в 1965 году Пензиас и Вильсон все-таки обнаружили излучение абсолютно черного тела, но не поняли этого. Третья группа, в СССР в статье Х., в США  под руководством Роберта Дикке из Принстонского университета вновь обратилась к теории Гамова и его коллег  и занялась вопросом улавливания микроволнового реликтового излучения, но существовавшее оборудование было до прискорбия примитивным, чтобы его уловить.

Эта комическая ситуация нашла свое завершение, когда астроном Бернард Берк, общий друг Пензиаса и Дикке, рассказал первому о работе второго. Когда две группы исследователей наконец объединились, стало ясно, что Пензиас и Вильсон уловили сигналы, оставшиеся после того самого Большого Взрыва. За это важное открытие Пензиас и Вильсон в 1978 году были удостоены Нобелевской премии, с Капицей по принципу низких Т, вместо Дикке и др.

Хойл же и Гамов, два самых знаменитых автора противоречащих друг другу теорий, встретились в 1956 году и эта судьбоносная встреча могла изменить весь ход развития космологии. Хойл вспоминал, «как Георгий возил меня в белом кадиллаке» и  напомнил о своем утверждении, что после Большого Взрыва осталось излучение, которое можно увидеть даже сегодня. Однако, согласно последним расчетам Гамова, температура этого излучения была около 50 градусов. Тогда Хойл поделился с Гамовым информацией, которая стала для последнего шокирующим открытием. Хойлу была известна не нашедшая признания работа, написанная в 1941 году Эндрю Маккеларом, в которой автор утверждал, что температура открытого космоса не может превышать трех градусов по Кельвину. При более высоких температурах происходили бы новые реакции, которые создали бы соединения углерода с водородом (CN) и азотом (СН) в возбужденном состоянии в открытом космосе. Измерив спектр этих химических элементов, можно было определить температуру открытого космоса. По сути, он выяснил, что плотность молекул CN,обнаруженных им в космосе, указывает на температуру в 2,3° К. Другими словами, микроволновое излучение с температурой в 2,7°К уже было как бы открыто в 1941 году, о чем Гамов не имел понятия.

Хойл вспоминал: «Случилось ли это потому, что «кадиллак» был слишком удобен, или потому, что Георгий настаивал на температуре выше 3°, а я — на равной нулю, мы упустили свой шанс сделать открытие, которое девятью годами позже сделали Арно Пензиас и Боб Вильсон». Если бы группа Гамова не сделала ошибку в расчетах и пришла к более низкой температуре (1940-х) или если бы Хойл не относился столь враждебно к теории Большого Взрыва, то история космологии, возможно, оказалась бы иной.

Большой Взрыв и психология

Открытие микроволнового фона Пензиасом и Вильсоном решающим образом повлияло на карьеру Гамова и Хойла. Хойла их работа чуть не вогнала в гроб и в 1965 году на страницах журнала «Нэйчер» (‘Nature) Хойл официально признал свое поражение и теории стационарной Вселенной — из-за микроволнового излучения, содержания гелия и прогностической силы: «что действительно убило теорию «стационарной Вселенной» — так это психология… Здесь, в микроволновом излучении, заключалось важное явление, которого она не предсказала за многие годы, и это сбило с меня спесь». (Позднее Хойл вернулся на прежние позиции, безуспешно пытаясь работать с другими версиями теории стационарной Вселенной, но каждый новый вариант был все менее правдоподобным.)

Вопрос о первенстве открытия оставил в душе Гамова неприятный осадок. Между строк видно, что был недоволен тем, что работы его и сотрудников  мало или вообще не упоминались. Неизменно вежливый, он помалкивал о своих чувствах, но в личных письмах отмечал несправедливость того, что физики и историки науки полностью проигнорировали их работу.

Хотя работа Пензиаса и Вильсона нанесла сокрушительный удар по теории стационарной Вселенной и обеспечила твердую экспериментальную основу теории Большого Взрыва, в понимании структуры расширяющейся Вселенной существовали огромные пробелы. Например, в модели Вселенной Фридмана для того, чтобы понять, как эволюционирует Вселенная, необходимо знать значение р, средней плотности Вселенной. Однако определение ее оказалось довольно проблематичным, когда ученые обнаружили, что Вселенная состоит не только из известных нам атомов и молекул, а еще и из незнакомой новой субстанции, называемой «темной материей» (ТМ),  в 10 раз больше «светлой» — видимой, обычного вещества. И снова блестящие достижения в этой области не были восприняты всерьез астрономическим сообществом, хотя «темная энергия» (ТЕ) отмечена НП-2011.

Омега и темная материя

История темной материи, возможно, одна из самых необыкновенных. В 1930-е годы независимый швейцарский астроном Фриц Цвикки из Калифорнийского технологического института заметил, что движение галактик в скоплении галактик Кома не соответствовало теории гравитации Ньютона. Он обнаружил, что скорость движения галактик такова, что, по законам движения Ньютона, они должны были разлететься в стороны, а скопление — распасться. Цвикки решил, что единственным возможным объяснением того, что скопление Кома удерживается, а не разлетается в стороны, могло служить лишь то, что в скоплении — в сотни раз больше материи, чем можно было увидеть в телескоп. Либо законы Ньютона действовали как-то неверно на межгалактических расстояниях, либо существовало огромное количество невидимой материи в скоплении Кома, которая не давала ему распасться.  Это стало первым свидетельством в истории, что чего-то крайне недоставало в отношении распространения материи по Вселенной. К несчастью, астрономы во всем мире либо не заметили пионерскую работу Цвикки, либо  отвергли его выводы. Причина, что теория гравитации Ньютона, занимавшая ведущее положение в физике с 1687 г.,  несколько веков, переживала прецедент такого кризиса.  Так, орбиты Урана, Меркурия и др. отклонялись от уравнений, но  Ньютон не ошибался, и в 1846 году при анализе предполагаемого положения планеты согласно законам Ньютона, была обнаружена планета Нептун, а для Меркурия Эйнштейн в 1915 приспособил уравнения ОТО,

Космология как современная наука может отмечать свой столетний юбилей в 15-17 годах. В 1915 Гильберт и Эйнштейн разобрались с идеями Пуанкаре, после Гельмгольца и Римана с Гауссом, написали уравнения, в 1917 году Альберт Эйнштейн согласовал уравнения общей теории относительности и физически разумные модели мироздания. Ньютон пытался построить общую картину Вселенной, однако его притяжение неизбежно сжимало ее даже при  попытке бежать в бесконечность пространства и звезд. Их происхождение и развитие построил Кант, против силы тяготения установив  отталкивание, с вращением и уравнением дифференциации, сжатия облака с моментом (аналог ТМ?), Гете дал био-образец развития с 3х2 стадии расширения-сжатия (5 элементов с эфиром-квинтэссенцией-ТЕ и ТМ-сжатием в семя-зародыш нового). Эйнштейн не верил в начало и конец мироздания и его вечно существующую статичную Вселенную, уравнения с “антитяготением”, так называемый космологический член) сменили конкуренты — модель мира без материи Виллема де Ситтера (1917), замкнутые и открытые нестационарные модели Александра Фридмана (1922 и 1924), по Гамову, уже связавшему их с красным смещением-удалением галактик.  Хотя только в 1926 году Эдвин Хаббл опубликовал работу “Внегалактические туманности”, где впервые было дано описание галактик как самостоятельных звездных систем, не входящих в состав Млечного пути. До бельгийца Жоржа Анри Леметра, изучавшего астрофизику у Эддингтона и в Массачусетском технологическом институте, дошли слухи по революционному открытию — доказательству разбегания галактик. В 1927 году, вернувшись на родину, Леметр опубликовал (а в последующие годы уточнил и развил) модель Вселенной, образовавшейся в результате взрыва сверхплотной материи, расширяющейся в соответствии с уравнениями ОТО. Он математически доказал, что их радиальная скорость должна быть пропорциональна расстоянию от Солнечной системы. Годом позже к этому пришел принстонский математик Хауард Робертсон. А в 1929 году Хаббл получил ту же самую зависимость экспериментально, обработав данные по удаленности двадцати четырех галактик и величине красного смещения приходящего от них света. Пятью годами позже Хаббл и его ассистент-наблюдатель Милтон Хьюмасон привели новые доказательства, для очень тусклых галактик, лежащих на крайней периферии наблюдаемого космоса. Предсказания Леметра и Робертсона полностью оправдались, и космология нестационарной Вселенной одержала первую победу.
Непризнанная модель
Но  Леметр оценил продолжительность существования Вселенной — для этого нужно было лишь выяснить численную величину константы, входящей в уравнение Хаббла. Попытки определить эту константу приводили к заключению, что наш мир возник всего лишь около двух миллиардов лет назад. Однако Библия говорила о тысячах лет, а геологи утверждали, что Земля много старше, да и астрономы не сомневались, что в космосе полным-полно звезд более почтенного возраста. У астрофизиков тоже были собственные основания для недоверия: процентный состав распределения химических элементов во Вселенной на основе леметровской модели (в 1942 году расчитал Чандрасекар) явно противоречил реальности. Философский скептицизм- бесконечный мир, населенный множеством галактик, вероятнее не изменяется и существует вечно. Модель вечно осциллирующей Вселенной,  Ричарда Толмана, 1934,  не получила серьезного признания, а в конце 1960-х была отвергнута как математически некорректная.

ГАМОВ и К.

Акции “раздувающегося мира”  повысились  после того, как в начале 1948 года Джордж Гамов и его аспирант Ральф Алфер построили новую, болеереалистичную версию этой модели. Вселенная Леметра родилась из взрыва гипотетического “первичного атома”, который явно выходил за рамки представлений физиков о природе микромира. Джордж Гамов и Ральф Алфер предположили, что Вселенная вскоре после рождения состояла из хорошо известных частиц — электронов, фотонов, протонов и нейтронов. В их модели эта смесь была нагрета до высоких температур и плотно упакована в крохотном (по сравнению с нынешним) объеме. Гамов с Алфером показали, что в этом супергорячем супе происходит термоядерный синтез, в результате которого образуется основной изотоп гелия, гелий-4. Они даже вычислили, что уже через несколько минут материя переходит в равновесное состояние, в котором на каждое ядро гелия приходится примерно десяток ядер водорода. Такая пропорция вполне соответствовала астрономическим данным о распределении легких элементов во Вселенной. Эти выводы вскоре подтвердили Энрико Ферми и Энтони Туркевич. Они к тому же установили, что процессы термоядерного синтеза обязаны порождать немного легкого изотопа гелия-3 и тяжелые изотопы водорода — дейтерий и тритий. Сделанные ими оценки концентрации этих трех изотопов в космическом пространстве тоже совпадали с наблюдениями астрономов.
Проблемная теория
Но проблему возраста Вселенной теория Гамова решить не могла (доказали, что галактики разлетаются много медленней, в Паломарской обсерватории, только в 1960-е) и в нуклеосинтезе после гелия, дейтерия и трития, не смогла продвинуться к более тяжелым ядрам. Из-за устойчивости с2-оболочки нуклонов (а-частиц, гелия, как и х.э.) ядра а+1 и 2а из 5 и 8 нуклонов — трех протонов и двух нейтронов или двух протонов и трех нейтронов (литий-5 и гелий-5) крайне неустойчивы и мгновенно распадаются, существует лишь стабильный литий-6 (три протона и три нейтрона). Чтобы с ядром гелия одновременно слились и протон, и нейтрон, вероятность  мала, в условиях высокой плотности материи в первые минуты существования Вселенной объясняет очень малую концентрацию древнейших атомов лития. Слияние двух ядер гелия, комбинация тоже нежизнеспособно, казалось непреодолимым (сейчас мы знаем, что они рождаются только в стабильных и взрывающихся звездах и в космических лучах, но Гамову это не было известно). Впрочем, у модели “горячего” рождения Вселенной оставалась в запасе еще одна карта, которая со временем стала козырной. В 1948 году Алфер и другой ассистент Гамова, Роберт Герман, пришли к выводу, что космос пронизан микроволновым излучением, возникшим спустя 300 тысяч лет после первичного катаклизма. Однако радиоастрономы не проявили интереса к этому прогнозу, и он так и остался на бумаге.
Появление конкурента
Гамов и Алфер изобрели свою “горячую” модель в столице США, где с 1934 года Гамов преподавал в университете имени Джорджа Вашингтона. Многие продуктивные идеи возникли у них под умеренную выпивку в баре “Маленькая Вена” на Пенсильвания-авеню неподалеку от Белого дома. Когда их не было, он занимался популяризацией, с «мистера Томкинса» 1938 года.

Георгий Гамов. Приключения Мистера Томпкинса — Lib.Ru МистерТомпкинс в Стране Чудес Мистер Томпкинс исследует атом …… А пока, —продолжал Райл, — Я приведу вас в чувство

— продолжал Райл, — Я приведу вас в чувство!»

Альтернативой стали НФ-фантастика и фильмы ужасов, в старой Англии, в университетском Кембридже, куда перебрались трое замечательных ученых — Фред Хойл, Герман Бонди и Томас Голд, из радиолокационной лаборатории британских ВМФ. Хойлу, англичанину из Йоркшира, к моменту капитуляции Германии еще не исполнилось и 30, а его приятелям, уроженцам Вены, стукнуло по 25. Хойл и его друзья в свою “радарную эру” отводили душу в беседах о проблемах мироздания и космологии. Все трое невзлюбили модель Леметра, но законХаббла приняли всерьез, а потому отвергли и концепцию статичной Вселенной. После войны они собирались у Бонди и обсуждали те же проблемы. Озарение снизошло после просмотра кинострашилки “Мертвые в ночи”. Ее главный герой Уолтер Крейг попал в замкнутую событийную петлю, которая в конце картины возвратила его в ту же ситуацию, с которой все и началось. Фильм с такой фабулой может длиться бесконечно (как стишок о попе и его собаке). Тут-то Голд и сообразил, что Вселенная может оказаться аналогом этого сюжета — одновременно изменяющейся и неизменной!

Фред Хойл: “Расширение Вселенной происходит вечно! Вещество рождается в пустоте самопроизвольно с такой скоростью, что средняя плотность Вселенной остается постоянной” (фото с сайта Популярная механика. Журнал о том, как устроен мир) Фред Хойл (1915–2001) приобрел всемирную известность как отец-основатель теории звездного нуклеосинтеза и классик астрофизики (а также как писатель-фантаст и популяризатор науки). Герман Бонди (1919–2005), эмигрировавший в Англию еще до Второй мировой, остался там и после войны. Он стал крупнейшим специалистом по ОТО, работал главным научным консультантом минобороны и минэнергетики Великобритании, получил (как и Хойл) дворянство, был гендиректором Европейской организации космических исследований (ныне Европейское космическое агентство), президентом нескольких научных обществ, ректором одного из кембриджских колледжей. Томас Голд (1920–2004) в конце 1950-х перебрался в США, в Корнеллский университет, где работал до самой смерти. Он выполнил важнейшие исследования космического магнетизма (термин “магнитосфера” — его изобретение), совместно с Хойлом предложил модель пульсара как вращающейся нейтронной звезды с сильным магнитным полем и даже выдвинул элегантную, но, скорее всего, неправильную теорию тектонического происхождения угля и нефти.  Они превратили гипотезу в связную теорию. Бонди с Голдом дали ее общее изложение, а Хойл в отдельной публикации “Новая модель расширяющейся Вселенной” — математические расчеты. За основу он взял уравнения ОТО, но дополнил их гипотетическим “полем творения” (Creation field, С-поле), обладающим отрицательным давлением. Нечто в этом роде через 30 лет появилось в инфляционных космологических теориях, что Хойл подчеркивал с немалым удовольствием.
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, посколькувсегда остается подобной себе самой. Голд назвал это утверждение совершенным космологическим принципом. Геометрия пространства в этой модели остается плоской, как и у Ньютона. Галактики разбегаются, однако в космосе “из ничего” (точнее, из поля творения) появляется новое вещество, причем с такой 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. Сразу снимался вопрос, почему приборы не регистрируют эти процессы, — они слишком медленны по человеческим меркам. Новая космология не испытывала никаких трудностей, связанных с возрастом Вселенной, этой проблемы для нее просто не существовало. Для подтверждения своей модели Хойл предложил воспользоваться данными о пространственном распределении молодых галактик. Если С-поле равномерно творит материю повсюду, то средняя плотность таких галактик должна быть примерно одинаковой. Напротив, модель катаклизмического рождения Вселенной предсказывает, что на дальней границе наблюдаемого космоса эта плотность максимальна — оттуда к нам приходит свет еще не успевших состариться звездных скоплений. Хойловский критерий был совершенно разумным.

Больше 15 лет соперничающие теории сражались почти на равных. Правда, в 1955 году английский радиоастроном и будущий нобелевский лауреат Мартин Райл обнаружил, что плотность слабых радиоисточников на космической периферии больше, чем около нашей галактики. Он заявил, что эти результаты несовместимы с Космологией стабильного состояния. Однако через несколько лет его коллеги пришли к выводу, что Райл преувеличил различия плотностей, так что вопрос остался открытым.

Крестный отец
Гамовскую теорию долгое время называли вполне академично — “динамическая эволюционирующая модель”. А словосочетание “Большой взрыв” связано с популяризацией, как ни странно,  не автора этой теории и даже не ее сторонников. В 1949 году продюсер научных программ BBC Питер Ласлетт предложил Фреду Хойлу подготовить серию из пяти лекций. Хойл блистал перед микрофоном и мгновенно приобрел множество поклонников среди радиослушателей. В последнем выступлении он заговорил о космологии, рассказал о своей модели и под конец решил свести счеты с конкурентами. Их теория, сказал Хойл, “основана на предположении, что Вселенная возникла в процессе одного-единственного мощного взрыва и потому существует лишь конечное время… Эта идея Большого взрыва кажется мне совершенно неудовлетворительной”. Вот так впервые и появилось это выражение. На русский его можно перевести и как “Большой хлопок”, что, вероятно, точнее соответствует уничижительному смыслу, который вложил в него Хойл. Через год его лекции были опубликованы, и новый термин пошел гулять по свету. Но на двадцатом году жизни хойловская космология стала быстро увядать. К этому времени астрономы доказали, что постоянная Хаббла на порядок меньше прежних оценок, что позволило 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 сразу привлекли к теории Большого взрыва великое множество сторонников.

С тех пор полвека эта теория считается стандартной и общепризнанной космологической моделью. У нее есть и конкуренты разных возрастов, но  теорию Хойла всерьез  не принимают, несмотря и на главное  открытие (в 1998-99 годах) ускорения разлета галактик, о возможности которого писали и Хойл, и Бонди с Голдом — его связали с «темной энергией», \-членом отталкивания Канта-Эйнштейна или «квинтэссенцией (пятым элементом — эфиром Аристотеля)» и отметили НП-2011 г.
«Большой взрыв»
Сотворение Вселенной заняло  не шесть дней Библии, хотя их и можно связать с 3х2 «элементами» и стадиями расширения-сжатия Гете — основная
доля работы была завершена еще раньше! Эти «первые доли секунды» и часы также восходят к Гамову, но делают важнее отношения или степени-логарифмическую шкалу.

В этих стадиях можно видеть «периодическую систему» и повтор значения 4 взаимодействий — разделение их в первом периоде, носители их типа масс, ядерных и слабых сил-нейтрино и зарядов во втором, и их проявления и реакции в звездах далее.
Календарь Вселенной
1. Планковская эра, 10–43 с. Планковские характеристики и  отделение гравитационного
взаимодействия. Размер Вселенной  10–35 м (так называемая Планковская длина, хотя она связана с массой порядка клетки, 10-5 г).
1.12. 10–37 с. Инфляционное расширение Вселенной.
1.2. Эра великого объединения
10–35 с. Разделение сильного и электрослабого взаимодействий.
1.3. 10–12 с. Отделение слабого взаимодействия и окончательное разделение взаимодействий.

2. Энергия и дефект масс падают до уровня единичных частиц, с самых тяжелых, Х- порядка 137 а.е. или 130 Гэв.  Адронная эра.
2.1. 10–6 с. Аннигиляция протон-антипротонных пар. Кварки и антикварки перестают
существовать, как свободные частицы.
2.2. Лептонная эра, до обычных пар е+е- (Е=1.1 Мэв. т=1 с). 2.3. Объединение ядерных сил смешивает реакции е+е- с ядерными, эра — энергия сильного взаимодействия (2.2 Мэв дейтерия, рп)- Формируются ядра водорода и ядерный синтез гелия.
Эра нуклеосинтеза
3 минуты. Вселенная состоит на 75% из водорода и на 25% из гелия, согласно Е=мс2 р-п, а также следовых количеств тяжелых элементов, «металлов».

3. Радиационная эра (состояние плазмы — огня как 1-го элемента древних, когда заряды ионов равновесны с излучением)
1 неделя. К этому времени излучение термализуется.
4. Эра вещества, рекомбинации ионов и превращения плазмы в нейтральные атомы, газ (от понятия хаоса греков, до 16 века, ВанГельмонта, известен как воздух)
4.1. 10 тыс. лет. Вещество начинает доминировать во Вселенной.
4.2. 380 тыс. лет. Ядра водорода и электроны рекомбинируют, в р+е-=Н+у, откуда РИ и Вселенная становится прозрачной для излучения.

Оно перестает уравновешивать притяжение и начинается стадия сжатия, конденсации, с ростом температуры до реионизации №1 и 2 — термоядерных реакций.
Звездная эра
1 млрд лет. Формирование первых галактик и звезд, из газа Н-Н2 и Не.

5. Эволюция и СН (как стадия расширения №2) звезд 1-го поколения с синтезом «металлов», элементов после гелия.

7 млрд.лет назад — уравнение ТМ-ТЕ с доминированием ТЕ, ускорением расширения галактик (открытым по тем же СН, НП 2011).

6. Эволюция звезд 2-3 поколений со сжатием №2 —  конденсацией вещества и космических тел-планет земного типа, в отличии от газовых гигантов.
9 млрд лет. Образование Солнечной системы.

13,5 млрд лет. Текущий момент.

? роли разума
———————————

Фейнман в своих знаменитых лекциях по физике 1960-х еще иллюстрировал законы Ньютона в масштабах галактик, хотя как автор теорий и гравитации должен был знать про ТМ, Цвикки и др.

 

*продолжение — ОТО

Гильберта.  Другая проблема — личности Цвикки и  отношения («производственные, ПО Маркса) к «аутсайдерам». Цвикки считали фантазером,  смеялись или не обращали на него внимания. В 1933 году вместе с Вальтером Бааде он придумал термин «сверхновая звезда» и предсказал, что после взрыва останется крошечная нейтронная звезда около 22 км в поперечнике. Эта идея показалась всем настолько абсурдной, что ее 19 января 1943 года даже высмеяли в комиксе на страницах «Лос-Анджелес тайме». Цвикки страшно обозлился на маленькую элитарную группу астрономов, которые, как он думал, мешали его признанию, крали его идеи и не давали ему времени для наблюдений на 250-и 500-сантиметровом телескопах (Незадолго до своей смерти в 1974 году Цвикки на собственные средства опубликовал каталог галактик. Каталог открывался заголовком «Напоминание корифеям американской астрономии и их подхалимам». В очерке была яростная критика узкой, закоренелой в своих традиционных взглядах элиты астрономов,  изо всех сил препятствовавших работе таких независимых астрономов, как он. «Сегодняшние подхалимы и самые настоящие воры, особенно в Американском астрономическом обществе, кажется, совершенно свободно присваивают открытия и изобретения, сделанные волками-одиночками и инакомыслящими»,  назвал их «сферическими ублюдками», «с какой стороны на них ни глянь». Он был разъярен, потому что его обошли вниманием и Нобелевскую премию за открытие нейтронной звезды дали «невинному» Хьюишу — и вмешательство Хойла также могло стоить ему НП-84 с Фаулером.

В 1962 году астроном Вера Рубин заново открыла любопытную проблему галактического движения. Она изучала вращение Галактики Млечный Путь и столкнулась с той же самой проблемой: астрономическое сообщество не приняло ее выводы. Обычно, чем дальше от Солнца находится планета, тем медленнее она вращается. Чем ближе, тем быстрее она вращается. Именно поэтому Меркурий назван по имени бога скорости — он располагается очень близко к Солнцу, и именно поэтому скорость Плутона в 10 раз меньше скорости Меркурия — Плутон располагается дальше всех планет от Солнца. Однако когда Вера Рубин внимательно изучила голубые звезды нашей Галактики, она обнаружила, что звезды вращаются с неизменной скоростью, вне зависимости от расстояния до центра Галактики (плоского вращающегося диска), тем самым нарушая принципы механики Ньютона. По сути, она обнаружила, что Галактика Млечный Путь вращалась настолько быстро, что, по справедливости, ее звезды должны бы были разлететься в разные стороны. Но Галактика пребывала во вполне устойчивом состоянии на протяжении приблизительно 10 млрд лет; оставалось загадкой, почему ее вращающийся диск плоский. Чтобы- не развалиться, она должна бы быть в 10 раз тяжелее, чем считали ученые в то время. Было очевидно, что не учтено 90 % массы всей Галактики!

Работу Веры Рубин проигнорировали, может быть, потому, что автором ее была женщина. Когда она поступала в колледж на специальность «естественные науки» и  обмолвилась преподавателю в приемной комиссии, что ей нравится рисовать, тот спросил: «А вы никогда не рассматривали возможность сделать карьеру, делая зарисовки астрономических объектов?» Она писала: «Это стало ключевой фразой у нас в семье: на протяжении многих лет, когда что-то у кого-то из родственников шло не так, мы говорили: ‘А вы никогда не рассматривали возможность сделать карьеру, делая зарисовки астрономических объектов?» Ее школьный преподаватель физики сказал: «У тебя все получится, только держись подальше от науки».  «Необходима невероятно высокая самооценка, чтобы выслушивать подобные вещи и не сломаться». Хотя противоречия были и когда ее приняли на вакантную должность преподавателя в Гарвард, она отказалась, потому что вышла замуж и уехала вместе с мужем-химиком в Корнелл, а в ответе из Гарварда  от руки были приписаны следующие слова: «Черт побери этих женщин! Каждый раз, как я нахожу то, что нужно, они уезжают и выходят замуж»).  На астрономической конференции в Японии была единственной женщиной и «долгое время не могла об этом рассказывать без слез, потому что, конечно, за одно поколение… немногое изменилось». Постепенно начали убеждать астрономическое сообщество в существовании проблемы «отсутствующей» массы. К 1978 году Вера Рубин и ее коллеги для 11 галактик нашли, что все они вращались слишком быстро, чтобы законы Ньютона позволили им оставаться единым целым, а голландский радиоастроном Альберт Бозма в анализе десятков спиральных галактик нашел такое же поведение. Предположили, что галактики окружены невидимым ореолом с 10 раз больше вещества, чем звезды. Более совершенные приборы и  измерения искривления звездного света при его прохождении сквозь невидимое вещество (Подобно линзе очков, темная материя может преломлять свет благодаря массе и силе гравитации), телескопа Хаббла, дали карту распределения темной материи во Вселенной.   Спорят, из чего состоит темная материя, из обычного вещества, которое просто плохо различимо (то есть из коричневых звезд-карликов, нейтронных звезд, черных дыр и так далее, которые практически  невидимы), «барионное вещество», то есть вещество, состоящее из известных барионов (как нейтроны и протоны, МАСНО — «массивные компактные объекты гало»), или очень горячего небарионного вещества, такого, как нейтрино (его так и называют — горячим темным веществом. Однако движутся настолько быстро, что не списать всю ТМ) или принципиально нового, называемого «холодное темное вещество», или WIMPS («слабо взаимодействующие массивные частицы»). Это лучшая «кандидатура» для объяснения темной материи.

Спутник СОВЕ

Со времен Галилея астрономия использовала обычные оптические средства, имеющиеся на Земле. Однако в 1990-е  новое поколение  новейших спутниковых технологий, лазеров и компьютеров изменили лицо космологии. Спутники СССР и США- СОВЕ (космический аппарат для изучения реликтового излучения, с 11.1989) измерили множество параметров, соответствующих прогнозам Гамова и его сотрудников, выдвинутым в 1948 году, об излучении абсолютно черных тел (на собрании Американского астрономического общества 1998 г. 1500 ученых аплодировали фотографиям СОВЕ, практически полностью согласовывались с температурой микроволнового фона 2,728° К). Как «происхождение видов…спутник СОВЕ нашел окаменелости [Вселенной]».

Однако фотографии, сделанные со спутника СОВЕ, были довольно размытыми, «горячие точки», или флуктуации космического фонового излучения, должны были составлять около одного градуса в поперечнике. Но оборудование спутника СОВЕ было способно уловить флуктуации только семи и более градусов в поперечнике, оно не было достаточно чувствительным, чтобы обнаружить эти маленькие горячие точки. Ученые были вынуждены ждать результатов работы спутника WMAP в начале 21 века.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *