Готовый перевод String Theory for Dummies / Теория струн для «чайников»: Finding a Beginning: The Big Bang Theory

Поиск начала: теория большого взрыва

Вскоре стало очевидно, что когда-то расширяющаяся вселенная была гораздо меньше - по сути, настолько, что была сжата до единой точки (или, по крайней мере, до очень малой зоны).

Теория, в которой вселенная произошла из начальной точки, с тех пор известна как теория большого взрыва.

Впервые она была предложена в 1927, но вызывала споры до 1965, когда случайное открытия поддержало теорию.

В наше время самые передовые астрономические обсерватории показывают, что теория большого взрыва вполне вероятна.

Теория струн, надо надеяться, поможет физикам понять более точно, что произошло в те ранние моменты вселенной, поэтому понимание теории "большого взрыва" является ключевым компонентом космологической работы теории струн.

Человек, первоначально ответственный за теорию "большого взрыва", был бельгийским священником и физиком, Джорджем Лемэмтром, который независимо работал над теориями, подобными Фридмановской.

Как и Фридман, Леметр понял, что Вселенная определяемая общей теории относительности будет либо расширяться или сжиматься.

Что в имени тебе моем?

Название "большой взрыв" теории дал Фред Хойл, один из величайших ее критиков.

В 1949 году в серии радиопередач Би-би-си, Хойл пренебрежительно говорил об идее, что все во Вселенной создано в одном внезапном “большом взрыве” в далеком прошлом.

Название прижилось, к большому ужасу теоретиков Большого взрыва.

Строго говоря, теория большого взрыва не включает в себя взрыв.

Скорее, теория утверждает, что мельчайшая начальная частица начала расширяться, создавая вселенную.

В теории нет ни большого, ни взрыва.

в 1927 Леметр узнал о находке Хаббла - далеких галактиках, удаляющихся от Земли.

Он понял: это означало, что космос расширяется. Он опубликовал теорию, которую стали называть теорией большого взрыва.

(См. близлежащую врезку "Что в имени тебе моем?")

Поскольку вам известно, что пространство расширяется, вы можете у себя в голове запустить видео Вселенной назад во времени (перемотать, так сказать).

Когда вы сделаете это то понимаете, что Вселенная должна была быть намного меньше, чем сейчас.

По мере сжатия материи во Вселенной во все меньший и меньший объем пространства, законы термодинамики (которые управляют потоками тепла) подскажут вам, что эта материя должна была быть невероятно горячей и плотной.

Теория большого взрыва показывает, что Вселенная возникла из состояния плотной горячей материи, но она ничего не говорит о том, как возникла материя, или что еще существовало до Большого взрыва (или даже имеет ли какое-либо значение слово "до", когда вы говорите о начале времени).

Я исследую эти спекулятивные темы в главах 14 и 15.

Шараханья большого взрыва: теория устойчивого состояния

В притивовес теории большого взрыва, Фред Хойл предложил альтернативную теорию, назвав ее теорией стационарного состояния.

В этой теории постоянно создаются новые частицы.

По мере расширения пространства, эти новые частицы были созданы достаточно быстро; плотность общей массы Вселенной остается постоянной.

Чтобы понять причину возникновения такой теории, вы должны понимать, что несколько физиков думали, что это, скорее всего, подобно плотному шару материи появившемуся из ниоткуда, нарушая закон сохранения массы (или сохранения массы-энергии).

Эта материя появилась откуда-то.

С точки зрения Хойла, если материя могла быть создана из ничего однажды, то почему бы этому не происходить все время?

Хотя теория устойчивого состояния Хойла в конечном счете потерпела неудачу в попытке доказать ее, Хойл окажется достойным в глазах истории, развивая теорию о том, откуда появляются плотные атомы нашей вселенной (которые мы рассмотрим далее в разделе “Понимание откуда появились химические элементы”).

Заступая за большой взрыв: Космическое микроволновое фоновое излучение

Одним из основных новообращенных в теорию большого взрыва был физик Георгий Гамов, который понял, что если теория была верна, остаточный след космического микроволнового фонового излучения (реликтового излучения) будет распространяться по всей вселенной.

Попытки найти это излучение не удавались в течение многих лет, пока неожиданная проблема в 1965 году случайно не обнаружила его.

Гамов известен многим как автор ряда популярных научных книг, но он также был теоретиком и экспериментатором, который любил выбрасывать идеи направо и налево, казалось не заботясь принесли ли они плоды.

Обратив свое внимания на космологию и большой взрыв, Гамов в 1948 году отметил, что этот плотный шар материи (выдвинул гипотезу, что вероятно состоящий из нейтронов) будет испускают излучение черного тела, которое было разработано Максом Планком в 1900 году.

Черное тело излучает на длине волны определяемой на основании температуры.

Два студента Гамова Ральф Альфер и Роберт Герман, опубликовали в 1948 году работу с расчетом температуры, и, следовательно, излучения, этого оригинального шара материи.

Мужчины вычислили температуру, составляющую около 5 градусов выше абсолютного нуля, хотя это и заняло почти год, пока Гамов не согласился с этим расчетом.

Это излучение в микроволновом диапазоне электромагнитного спектра, так называемое космическое микроволновое фоновое излучение (реликтовое излучение).

Хотя это был успешный теоретическая прорыв, в то время он прошел в значительной степени незамеченным.

Никто не провел серьезный эксперимент, чтобы найти это излучение, несмотря на то, что Гамов, Альфер и Херман попытались получить поддержку.

В 1965 году команда Принстонского университета во главе с Робертом Дике самостоятельно разработала теорию и пыталась проверить ее.

Команде Дика удалось обнаружить реликтовое излучение, однако, поскольку в то время они еще отлаживали свое оборудование, кое-кто обогнал их.

В нескольких милях, в Нью-Джерси в лаборатории Белл с радиотелескопом Holmdell Horn у Арно Пензиаса и Роберта Вильсона возникли свои проблемы.

Их телескоп, который был более сложным, чем в Принстонском университете улавливал ужасные помехи, когда они пытались обнаружить радиосигналы из космоса.

Независимо от того, куда они направляли антенну, они продолжали улавливать помехи.

Двое мужчин даже вычистили телескоп от птичьего помета, но безрезультатно.

Фактически, помехи стали более четкими на очищенном телескопе.

К счастью, у Пензиаса и Дике был общий друг - астроном Бернард Берк, и после обнаружения проблем, которые имели эти исследователи, он познакомил их.

Пензиас и Вильсон получили в 1978 Нобелевскую премию по физике за случайно обнаруженное CMBR (при температуре 2,7 градуса выше абсолютного нуля - расчеты Гамова была несколько завышены).

Еще сорок лет исследований только подтвердили теорию "большого взрыва", последний раз на картинке CMBR, полученной спутником Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP).

Картина, полученная этим спутником, показанным на рисунке 9-3, походит на детскую фотографию вселенной, когда ей было всего 380,000 лет (13.7 миллиардов лет назад).

До этого, Вселенная была достаточно плотной, чтобы быть непрозрачной, так что свет не может использоваться, чтобы посмотреть далее в прошлое.

Рисунок 9-3:

WMAP спутниковое изображение NASA показывает (в основном) однородное космическое микроволновое фоновое излучение.

Понимание откуда появились химические элементы

Джордж Гамов и Фред Хойл сильно расходясь в теории большого взрыва, были ключевыми фигурами в определении процесса звездного нуклеосинтеза при которой внутри звезд образуются атомы.

Гамов предположил, что элементы были созданы за счет теплоты большого взрыва.

Хойл указал, что более тяжелые элементы были фактически созданы сильной жарой звезд и сверхновых звезд.

Оригинальным в теории Гамова было предположение, что самый легкий элемент - водород, был сформирован при охлаждении расширяющейся Вселенной.

Энергии в это время был еще достаточно, чтобы заставить молекулы водорода взаимодействовать, возможно, сливаясь в атомы гелия.

Оценки показывают, что почти 75 процентов видимой Вселенной состоит из водорода и 25 процентов приходится на гелий, с остальными элементами в периодической таблице, составляющих только следовые количества в масштабах всей Вселенной.

Это оказалось хорошо, потому что Гамов не мог понять, как приготовить многие из тех тяжелых элементов в большом взрыве.

Хойл занялся проблемой, предположив, что, если бы он мог бы создать все элементы в звездах, тогда теория "большого взрыва" потерпела бы крах.

В 1957 была издана работа Хойла по звездному нуклеосинтезу.

Согласно нуклеосинтезу Хойла, гелий и водород собираются в звездах и подвергаются ядерному синтезу.

Однако, даже там не достаточно жарко, чтобы сделать атомы более массивные, чем железо.

Эти тяжелые элементы - цинк, медь, уран, и многие другие - создаются, когда массивные звезды погибают и взрываются в гигантских сверхновых.

Эти сверхновые производят достаточно энергии, чтобы слить протоны вместе в тяжелое атомное ядро.

Затем элементы выдуваются в космос взрывом сверхновой, дрейфуя в облаках звездной пыли.

Часть этой звездной пыли в конечном счете под влиянием силы тяжести слипается вместе, чтобы сформировать планеты, подобные нашей Земле.

Внимание! Этот перевод, возможно, ещё не готов.
Его статус: перевод редактируется

Переведено на Нотабеноиде
http://notabenoid.org/book/38781/145386

Переводчики: Irina73, Narmo