Великий физик-теоретик Стивен Вайнберг скончался 23 июля. Это наша дань уважения.
Ключевые выводы
- Недавняя кончина великого физика-теоретика Стивена Вайнберга навеяла воспоминания о том, как его книга привлекла меня к изучению космологии.
- Возвращение в прошлое, к космическому младенчеству, - впечатляющая попытка, сочетающая экспериментальную и теоретическую изобретательность. Современная космология - экспериментальная наука.
- Космическая история, в конечном счете, наша собственная. Наши корни уходят в самые ранние моменты после сотворения.
Когда я учился в колледже, моему профессору по электромагнетизму пришла в голову потрясающая идея. Помимо обычных домашних заданий и экзаменов, мы должны были провести для класса семинар по выбранной нами теме. Идея заключалась в том, чтобы оценить, какой областью физики мы хотели бы заниматься профессионально.
Профессор Гилсон Карнейро знал, что я интересуюсь космологией, и предложил книгу лауреата Нобелевской премии Стивена Вайнберга: Первые три минуты: современный взгляд на происхождение Вселенной. У меня до сих пор хранится моя оригинальная копия на португальском языке 1979 года, от которой исходит затхлый тропический запах, и она стоит на моей книжной полке рядом с американской версией, бантамским изданием 1979 года.
Вдохновлено Стивеном Вайнбергом
Книги могут изменить жизнь. Они могут освещать путь вперед. В моем случае нет никаких сомнений в том, что книга Вайнберга взорвала мой подростковый мозг. Тогда же я решил, что стану космологом, работающим над физикой ранней Вселенной. Первые три минуты космического существования - что может быть увлекательнее для молодого физика, чем попытка раскрыть тайну самого творения и происхождения Вселенной, материи и звезд? Вайнберг быстро стал моим современным героем-физиком, которому я хотел подражать в профессиональном плане. К сожалению, он скончался 23 июляrd, оставив огромную пустоту для целого поколения физиков.
Мое юное воображение будоражило то, что наука действительно могла понять очень раннюю Вселенную, а это означало, что теории можно было подтверждать, а идеи можно было проверять на реальных данных. Космология как наука по-настоящему набрала обороты только после того, как Эйнштейн опубликовал свою статью о форме Вселенной в 1917 году, через два года после своей новаторской работы по общей теории относительности, объясняющей, как мы можем интерпретировать гравитацию как искривление пространства-времени.. Материя не «искривляет» время, но влияет на скорость его течения.(См. эссе на прошлой неделе о том, что происходит, когда вы падаете в черную дыру).
Теория большого взрыва
Большую часть 20го века космология жила в сфере теоретических спекуляций. Одна модель предполагала, что Вселенная возникла из маленькой, горячей и плотной плазмы миллиарды лет назад и с тех пор расширяется - модель Большого взрыва; другой предположил, что космос стоит на месте и что астрономы видят в основном локальные изменения - модель стационарного состояния.
Конкурирующие модели важны для науки, но не менее важны и данные, помогающие нам различать их. В середине 1960-х решающее открытие навсегда изменило правила игры. Арно Пензиас и Роберт Уилсон случайно обнаружили космическое микроволновое фоновое излучение (CMB), ископаемое из ранней Вселенной, существование которой предсказывали Джордж Гамов, Ральф Альфер и Роберт Херман в их модели Большого взрыва. (Альфер и Герман опубликовали здесь прекрасное изложение истории.) Реликтовое излучение - это ванна микроволновых фотонов, которая пронизывает все пространство, остаток эпохи, когда были выкованы первые атомы водорода, примерно через 400 000 лет после взрыва.
Существование реликтового излучения было неопровержимым доказательством модели Большого Взрыва. С этого момента серия захватывающих обсерваторий и детекторов, как на земле, так и в космосе, извлекла огромное количество информации из свойств реликтового излучения, немного напоминая палеонтологов, которые раскапывают останки динозавров и выкапывают больше костей, чтобы получить детали давно минувшего прошлого.
Как далеко мы можем зайти?
Подтверждение общей схемы модели Большого Взрыва изменило наше представление о космосе. У Вселенной, как и у нас с вами, есть история, прошлое, которое нужно исследовать. Как далеко назад во времени мы могли бы копать? Была ли какая-то предельная стена, которую мы не можем преодолеть?
Поскольку материя нагревается при сжатии, возвращение назад во времени означало рассмотрение материи и излучения при все более и более высоких температурах. Существует простое соотношение, связывающее возраст Вселенной и ее температуру, измеряемую в терминах температуры фотонов (частиц видимого света и других форм невидимого излучения). Самое интересное, что материя разрушается при повышении температуры. Таким образом, возвращение во времени означает рассмотрение материи во все более и более примитивных состояниях организации. После того, как через 400 000 лет после взрыва образовалось реликтовое излучение, появились атомы водорода. Раньше не было. Вселенная была заполнена первичным супом из частиц: протонов, нейтронов, электронов, фотонов и нейтрино, призрачных частиц, которые пересекают планеты и людей невредимыми. Кроме того, были очень легкие атомные ядра, такие как дейтерий и тритий (оба более тяжелые родственники водорода), гелий и литий.
Космическая алхимия
Итак, чтобы изучать Вселенную через 400 000 лет, нам нужно использовать атомную физику, по крайней мере, до тех пор, пока большие комки материи не объединятся под действием силы тяжести и не начнут коллапсировать, образуя первые звезды, несколько миллионы лет спустя. А раньше? Космическая история разбита на отрезки времени, каждый из которых представляет собой сферу разных видов физики. Прежде чем образуются атомы, вплоть до секунды после Большого взрыва, наступает время ядерной физики. Вот почему Вайнберг блестяще назвал свою книгу «Первые три минуты». Именно в промежутке между одной сотой секунды и тремя минутами образовались легкие атомные ядра (состоящие из протонов и нейтронов), процесс, поэтично названный первичным нуклеосинтезом. Протоны сталкивались с нейтронами и иногда слипались из-за сильной ядерной силы притяжения. Почему тогда образовалось лишь несколько легких ядер? Потому что из-за расширения Вселенной частицам было трудно найти друг друга.
А как насчет ядер более тяжелых элементов, таких как углерод, кислород, кальций, золото? Ответ прекрасен: все элементы таблицы Менделеева после лития были созданы и продолжают создаваться в звездах, истинных космических алхимиках. Водород в конце концов становится людьми, если вы подождете достаточно долго. По крайней мере, в этой вселенной.
В этой статье мы дошли до нуклеосинтеза, создания первых атомных ядер, когда Вселенной была всего одна минута. А раньше? Насколько близко к началу, к t=0, может подойти наука? Оставайтесь с нами, и мы продолжим на следующей неделе.
Читать Часть 2: К самому началу: возвращение в прошлое со Стивеном Вайнбергом
Стивену Вайнбергу, с благодарностью за все, что вы рассказали нам о Вселенной.