The Tangled History of Big Bang Science
Για μια θεωρία του σύμπαντος τόσο επιτυχημένη όσο η Μεγάλη Έκρηξη, μπορεί να αποτελεί έκπληξη να συνειδητοποιήσουμε πόσες επιπλοκές έπρεπε να αντιμετωπίσουν οι υποστηρικτές της. Ας ξεκινήσουμε με την ατυχή φιγούρα του Alexander Friedmann, του λαμπρού Ρώσου μαθηματικού και μετεωρολόγου που ήταν ο πρώτος που εκμεταλλεύτηκε κάτι το αξιοσημείωτο σχετικά με τις «εξισώσεις πεδίου» του Αϊνστάιν, το σύνολο των δέκα εξισώσεων που ανασκόπησαν τη βαρύτητα ως αποτέλεσμα του καμπύλου χωροχρόνου.
Το 1917, ο Αϊνστάιν, ίσως για να μην φαίνεται πολύ έξω από εκεί, υποστήριξε ότι θα μπορούσε κανείς να χρησιμοποιήσει τις εξισώσεις πεδίου για να εξαγάγει ένα μοντέλο του σύμπαντος πολύ παρόμοιο με την παραδοσιακή Νευτώνεια άποψη - έναν αιώνια στατικό, ή «σταθερής κατάστασης», σύμπαν. Η διαφορά στο μοντέλο του Αϊνστάιν ήταν ότι ήταν πεπερασμένο σε μέγεθος όπου το μοντέλο του Νεύτωνα ήταν άπειρο.
Αυτό ήταν πολύ συντηρητικό για τον Αϊνστάιν, σκέφτηκε ο Friedmann. Αντιθέτως, θεώρησε το μοντέλο του Αϊνστάιν ως ένα μόνο παράδειγμα πολλών πιθανών συμπάντων. Έτσι, το 1922, δημοσιεύτηκε στο κορυφαίο ευρωπαϊκό επιστημονικό περιοδικό Zeitschrift für Physik , ο Friedmann εξήγαγε τρία είδη κοσμολογικών μοντέλων που ήταν πολύ πιο δυναμικά από του Αϊνστάιν:Το ένα ήταν ένα πεπερασμένο σύμπαν θετικής καμπυλότητας -όπως μια σφαίρα- που επεκτεινόταν από μια ιδιομορφία και στη συνέχεια σταμάτησε να διαστέλλεται και κατέρρευσε ξανά σε ένα σημείο. το δεύτερο:ένα ανοιχτό άπειρο σύμπαν αρνητικής καμπυλότητας, το οποίο θα μπορούσε να απεικονιστεί σαν μια σέλα άπειρου μεγέθους. και τέλος:ένα σύμπαν μηδενικής καμπυλότητας—ένα επίπεδο επίπεδο—που επεκτεινόταν με όλο και πιο αργό ρυθμό, φθάνοντας μέχρι το άπειρο.
Η εφημερίδα του Friedmann του 1922 έπεσε νεκρή από τον Τύπο. Αλλά ο Αϊνστάιν, μόλις έφτασε να το διαβάσει ένα χρόνο αργότερα, ήταν τόσο ταραγμένος που έγραψε βιαστικά μια αντίκρουση στην οποία ισχυρίστηκε ότι ο Φρίντμαν είχε κάνει ένα μαθηματικό λάθος. Αλλά όπως ξεκαθάρισε ο Friedmann στην απάντησή του, ήταν ο Αϊνστάιν που έκανε τον λάθος υπολογισμό. Ο Αϊνστάιν απέσυρε τον ισχυρισμό του, αλλά παρόλα αυτά διατήρησε την άποψή του ότι σύμπαντα όπως αυτό του Friedmann θα μπορούσαν να είναι μόνο μαθηματικά κατασκευάσματα ή «περιέργειες», όπως είπε, ποτέ αληθινές περιγραφές της πραγματικότητας.
Παρά την εφευρετικότητά του, εκεί τελείωσε η συμμετοχή του Friedmann στην ιστορία του Big Bang. Το 1925, αφότου έγινε διευθυντής του Κύριου Γεωφυσικού Παρατηρητηρίου στο Λένινγκραντ, ο άνδρας -μόλις 37 ετών- πέθανε από τυφοειδή πυρετό λίγο μετά την εκτέλεση μιας πτήσης με αερόστατο που σημείωσε ρεκόρ. Αλλά οι ιδέες του θα αποδεικνύονταν απαραίτητες. Όχι μόνο εισήγαγε τη φράση «διαστελλόμενο σύμπαν», αλλά αξίζει, υποστηρίζουν ορισμένοι, να είναι γνωστός ως «ο πατέρας του Big Bang», επειδή ήταν ο πρώτος που εφάρμοσε σωστά τη γενική σχετικότητα στην κοσμολογία, την ανάπτυξη του σύμπαντος.
Χωρίς να το γνωρίζει, την ίδια χρονιά ο Βέλγος ιερέας και φυσικός Ζωρζ Λεμέτρ άρχισε να ακολουθεί τα βήματα του Φρίντμαν — και αργότερα θα έβλεπε ότι ο Φρίντμαν το είχε δίκιο. Αλλά ο Lemaître δεν ήταν το μοντέλο του Big Bang. Οχι ακόμα. Αυτό που έκανε ο Lemaître ήταν βασικά να χτίσει μια γέφυρα μεταξύ του αιώνια στατικού μοντέλου του Αϊνστάιν και ενός που θα μπορούσε να εξελιχθεί. Έθεσε ένα στατικό σύμπαν του Αϊνστάιν στην αρχή που στη συνέχεια θα επεκταθεί και θα ισοπεδωθεί με την πάροδο του χρόνου.
Ο Lemaître συνέλεξε έναν μέτριο αριθμό αστρονομικών παρατηρήσεων από μακρινά νεφελώματα προτού οι επιστήμονες συνειδητοποιήσουν ότι ήταν ανεξάρτητοι γαλαξίες από μόνοι τους. Χρησιμοποιώντας αυτές τις παρατηρήσεις, ο Lemaître σχεδίασε πολύ χονδρικά μια τροχιά διαστολής δείχνοντας ότι όσο πιο μακριά ήταν ένα δεδομένο εξωγαλαξιακό νεφέλωμα, τόσο πιο γρήγορα υποχωρούσε στο διάστημα απόστασης. Έγραψε ένα έγγραφο που υποδηλώνει ότι αυτό θα μπορούσε να ληφθεί ως απόδειξη της διαστολής του σύμπαντος.
Αυτό ήταν ριζοσπαστικό. Αλλά στη συνέχεια για λόγους που παραμένουν άγνωστοι, ουσιαστικά εγγυήθηκε ότι κανείς δεν θα το προσέξει δημοσιεύοντας σε ένα σκοτεινό βελγικό περιοδικό στα γαλλικά. Επιπλέον, δύο χρόνια αργότερα, το 1929, ο Αμερικανός αστρονόμος Έντουιν Χαμπλ έκανε πρωτοσέλιδα δείχνοντας έναν ακόμη μεγαλύτερο αριθμό γαλαξιών που παρουσιάζουν ύφεση - η απόστασή τους από εμάς ήταν ανάλογη με το πόσο γρήγορα πετούν μακριά μας. Αν και ο ίδιος ο Χαμπλ ήταν αρκετά συντηρητικός σχετικά με την ιδέα ενός διαστελλόμενου σύμπαντος, ήξερε ότι οι κοσμολόγοι που υποστήριζαν την ιδέα θα καλωσόριζαν τα ευρήματά του.
Μέχρι τώρα, ακόμη και ο Αϊνστάιν δεν μπορούσε να τους αποκρούσει. Στις αρχές του 1930, αυτός και άλλοι φυσικοί συναντήθηκαν στην Αγγλία στη Βασιλική Εταιρεία, που διευθύνεται από τον Sir Arthur Eddington, και προσπάθησαν να συμφωνήσουν σε ένα κοσμολογικό μοντέλο σύμφωνο με τις νέες μετρήσεις του Hubble. Όταν άκουσε για τη συνάντηση λίγους μήνες αργότερα, ο Λεμέτρ έστειλε δυσαρέσκεια την εργασία του του 1927 στον Έντινγκτον, ο οποίος ήταν ο μέντοράς του στο Κέιμπριτζ. Θλιμμένος που τα είχε ξεχάσει όλα, ο Έντινγκτον έβαλε βιαστικά το δοκίμιο να μεταφραστεί στα αγγλικά. Εδώ, επιτέλους, υπήρχε ένα μοντέλο διαστολής στο οποίο θα μπορούσαν να συμφωνήσουν όλοι, ο Αϊνστάιν ειδικότερα:η εργασία του Λεμέτρ ενσωμάτωσε το μοντέλο του Αϊνστάιν ως αρχική συνθήκη του σύμπαντος.
Αλλά ο Λεμέτρ δεν ήταν ικανοποιημένος. Μέχρι το 1931, είχε φτάσει να πιστεύει ότι η κατάσταση της «αρχικής κατάστασης» του Αϊνστάιν δεν μπορούσε να είναι σταθερή. Φτάνοντας πίσω στον Friedmann, πρότεινε την υπόθεση του Πρωταρχικού Ατόμου, ουσιαστικά το Big Bang 1.0, ότι το σύμπαν πρέπει να ξεκίνησε αρχικά από έναν φανταστικά πυκνό πυρήνα και να επεκτεινόταν προς τα έξω. «Το Κοσμικό Αυγό που εκρήγνυται τη στιγμή της δημιουργίας», ήταν πώς το διατύπωσε ο ιερέας.
Αυτό ήταν πάρα πολύ για τον Αϊνστάιν, τον Έντινγκτον και τους άλλους συναδέλφους τους. Αντιπαθούσαν τις μεταφυσικές συνέπειες ενός σύμπαντος με χρονική προέλευση - ήταν πολύ δελεαστικό για κάποιους να δουν τον Θεό να κρύβεται πίσω του.
Η πρόοδος σταμάτησε σε αυτό το σημείο καθώς ο ναζισμός άλλαξε δραματικά τις προτεραιότητες των επιστημόνων σε όλο τον κόσμο. Και παρόλο που ο Lemaître δεν το ήξερε, το δικό του μέρος στο έπος, όπως του Friedmann, είχε τελειώσει. Για τους φυσικούς, οι εργασίες για τη γενική σχετικότητα και την κοσμολογία έλαβαν δεύτερη θέση στην πολεμική προσπάθεια και το αυξανόμενο ενδιαφέρον για την κβαντική μηχανική. Ο Lemaître, περιορισμένος στο Βέλγιο υπό γερμανική κατοχή (και που επέζησε ελάχιστα από τους βομβαρδισμούς των Συμμάχων), έστρεψε την προσοχή του στους υπολογιστές και στα προβλήματα στην ουράνια μηχανική.
Αλλά κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, η ιδέα του Big Bang έπιασε τον George Gamow, τον πολύχρωμο Ουκρανό φυσικό που έφυγε από τη Σοβιετική Ένωση τη δεκαετία του 1930 και ήρθε στην Αμερική. Δεδομένου ότι δεν μπορούσε να εργαστεί στο Manhattan Project - χωρίς άδεια ασφαλείας - ο Gamow ασχολήθηκε με ένα άλλο παζλ:πώς η Μεγάλη Έκρηξη θα μπορούσε να εξηγήσει την εξέλιξη όλων των βαρύτερων ατομικών στοιχείων του σύμπαντος, όπως ο σίδηρος και ο χρυσός.
Ο Gamow μελέτησε για πρώτη φορά τη σχετικότητα στα πόδια του Friedmann στις αρχές της δεκαετίας του 1920. Μόλις στις ΗΠΑ, επέστρεψε στο θέμα και υιοθέτησε τους δικούς του μαθητές - τους Ευρωπαίους πρόσφυγες Ralph A. Alpher και Robert Herman. Έβαλε τους δύο πρώιμους φυσικούς να δουλέψουν πάνω σε ένα μοντέλο του σύμπαντος παρόμοιο με αυτό του Lemaître - εκτός από το ότι αντί να ξεκινήσουν με το ψυχρό αρχέγονο άτομο, υπέθεσαν μια καυτή, εξαιρετικά πυκνή κατάσταση.
Μόνο αυτό, σκέφτηκαν οι Gamow, Alpher και Herman, θα μπορούσε να επιτρέψει στη νουκλεοσύνθεση να «μαγειρέψει» το υδρογόνο και το ήλιο σε σίδηρο. Μια άμεση συνέπεια ενός τέτοιου μοντέλου της μεγάλης έκρηξης, τόνισαν, είναι ότι η ακτινοβολία από την αρχέγονη βολίδα -που τώρα είναι γνωστή ως κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου μικροκυμάτων- θα πρέπει ακόμα να διαπερνά το σύμπαν, αν και σε πολύ εξασθενημένα μήκη κύματος. Ο Alpher υπολόγισε μια θερμοκρασία σε αυτήν την ακτινοβολία υποβάθρου περίπου πέντε βαθμών Kelvin.
Αλλά και πάλι, όπως και με τους Friedmann και Lemaître πριν από αυτούς, η εργασία των Gamow, Alpher και Herman, που δημοσιεύτηκε το 1948, αγνοήθηκε. Ίσως η αποτυχία τους να ζητήσουν από τους συνομηλίκους τους να αναζητήσουν την κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου να είχε κάτι να κάνει με αυτό. Αν τα πράγματα είχαν εξελιχθεί διαφορετικά, ο Gamow μπορεί να μην είχε εγκαταλείψει την κοσμολογία για να μελετήσει τη γενετική τη δεκαετία του 1950, αφού εμπνεύστηκε από την ανακάλυψη του DNA. Ίσως ο Alpher και ο Herman να μην είχαν εγκαταλείψει τον ακαδημαϊκό χώρο για να μεταβούν στη βιομηχανία—την General Electric και την General Motors, αντίστοιχα.
Μόλις το 1965, οι θεωρητικοί και οι πειραματιστές έπληξαν τελικά τη βρωμιά. Robert H. Dicke και P.J.E. Ο Peebles στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον, αγνοώντας τη δουλειά του Gamow με τους μαθητές του, ανακάλυψε τις λεπτομέρειες μιας ακτινοβολίας υποβάθρου που βασίζεται στην επέκταση από μια κατάσταση βολίδας του πρώιμου σύμπαντος. Όπως οι Alpher και Herman, οι Dicke και Peebles προέβλεψαν ότι ο θόρυβος του περιβάλλοντος θα μετρούσε μεταξύ τριών και πέντε βαθμών Kelvin.
Κατασκεύασαν έναν ραδιοανιχνευτή για να τον μετρήσουν οι ίδιοι, αλλά, για τύχη, διαπίστωσαν ότι κάποιος άλλος είχε συναντήσει πρώτα τον θόρυβο του περιβάλλοντος. Δύο φυσικοί που εργάζονταν για τα Bell Labs, ο Arno Penzias και ο Robert Wilson, ετοίμαζαν ένα ραδιόμετρο στο New Jersey και σκόνταψαν στο σήμα πριν το κάνουν. Ο Penzias και ο Wilson θεώρησαν ότι ο «θόρυβος» που ανίχνευαν ήταν απλώς κάποια γήινη παρεμβολή που λάσπωσε τον πραγματικό τους στόχο:ραδιοφωνικά σήματα από το βαθύ διάστημα ανάμεσα σε μακρινά αστέρια.
Όταν ανέφεραν για αυτόν τον «θόρυβο» -που μετρούσε λίγο πάνω από τους τρεις βαθμούς Κέλβιν- ο Ντίκ και ο Πιπλς αναγνώρισαν αμέσως τη σημασία του και ήρθαν σε επαφή μαζί τους. Οι δύο ομάδες δημοσίευσαν την έρευνά τους χωριστά. Η ανακάλυψη αυτού που αποδείχθηκε ότι ήταν η κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου μικροκυμάτων θεωρήθηκε ότι ήταν η ισχυρότερη απόδειξη για τη Μεγάλη Έκρηξη, μια ηχώ, από την άποψη της ακτινοβολίας, της έκρηξης του πρώιμου σύμπαντος.
Το ορόσημο εύρημα θα κέρδιζε ένα από αυτά τα δίδυμα το Νόμπελ — μπορείτε να μαντέψετε ποιο; Το 1978, το βραβείο στη φυσική για εκείνη τη χρονιά πήγε στον… Πένζιας και Γουίλσον, όχι στους Ντικ και Πιπλς, ούτε σε κανέναν από τους προηγούμενους θεωρητικούς των οποίων η σκληρή δουλειά έθεσε τα θεμέλια για την ανακάλυψη. Ο Dicke και ο Peeples ένιωσαν ότι έμειναν εκτός. Αλλά ο Άλφερ και ο Χέρμαν ήταν ιδιαίτερα πικραμένοι. ένιωθαν ότι η αποχώρηση από τον ακαδημαϊκό χώρο για τη βιομηχανία είχε καταλογιστεί άδικα εναντίον τους. Ο Lemaître και ο Gamow ήταν και οι δύο νεκροί εδώ και καιρό.
Μπορούμε μόνο να υποθέσουμε πόσο διαφορετική θα μπορούσε να ήταν η πρόοδος της θεωρίας, αν, για παράδειγμα, ο Alexander Friedmann δεν είχε πεθάνει το 1925 πριν φτάσει στην ηλικία των 40 ετών. Θα είχαν ενώσει τις δυνάμεις του με τον Lemaître τη δεκαετία του 1930 και ο τότε μαθητής του George Gamow hot big bang μοντέλο πολύ νωρίτερα; Θα είχαν προβλέψει την κοσμική ακτινοβολία μικροκυμάτων υποβάθρου χρόνια πριν;
Αυτό που φαίνεται βέβαιο είναι ότι, ακόμη και όταν οι σπουδαιότερες θεωρίες της επιστήμης κατακλύζονται από απρόβλεπτα εμπόδια, αργά ή γρήγορα κάποιος νέος έρχεται για να προωθήσει τη δάδα. Είναι πολύ κακό που, τόσο συχνά, είναι εκείνοι που το φέρνουν πέρα από τη γραμμή του τερματισμού που φαίνεται να κερδίζουν όλα τα εύσημα. Αλλά η ιστορία δείχνει πώς η διαδρομή προς την αναγνώριση του Penzias και του Wilson ήταν γεμάτη από κακή τύχη άλλων.
Ο John Farrell είναι ο συγγραφέας του Η Μέρα Χωρίς Χθες:Ο Λεμαίτρ, ο Αϊνστάιν και η Γέννηση της Σύγχρονης Κοσμολογίας.
ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΤΕ: Ο φυσικός του Πρίνστον Paul J. Steinhardt σχετικά με τη σχέση του μποζονίου Higgs με την κοσμολογία.
Η κύρια εικόνα είναι ευγενική προσφορά του CERN μέσω Ars Electronica/Flickr.
