Παρασκευή, 2 Απριλίου 2010

1 Απριλίου , 1948: Η προέλευση των χημικών στοιχείων

Tην 1η Απριλίου του 1948 ένα έγγραφο δημοσιεύθηκε στη φυσική αναθεώρηση (Physical Review )από τους Alpher, Bethe, και Gamow, που τιτλοφορήθηκε "η προέλευση των χημικών στοιχείων." Τα ονόματα των συντακτών ήταν ένα αστείο (Ο Ηans Bethe δεν είχε συμβάλει πραγματικά στην εργασία), αλλά το έγγραφο περιείχε μια σημαντική επιστημονική ανακάλυψη. Ο Ralph Alpher και George Gamow εξήγησαν πώς οι ακραίες συνθήκες αμέσως μετά από τη μεγάλη έκρηξη θα μπορούσαν να εξηγήσουν τις παρατηρηθείσες περιεκτικότητες των πιο κοινών στοιχείων στον κόσμο.
Ο φυσικός George Gamow γεννήθηκε στην Οδησσό (τώρα στην Ουκρανία), το 1904. Μεγάλωσε δυσαρεστημένος με τη Σοβιετική Ένωση, και μετά από μια αποτυχημένη προσπάθεια να δραπετεύσει με ένα μικροσκοπικό καγιάκ περνώντας τη μαύρη θάλασσα το 1932, τράπηκε σε φυγή και μετανάστευσε στις Ηνωμένες Πολιτείες το 1934. Πήρε μια θέση στο πανεπιστήμιο George Washington University, στην Ουάσιγκτον, όπου τις επόμενες δυο δεκαετίες της ζωής του τις πέρασε ερευνώντας, ελέγχοντας και υποστηρίζοντας την ιδέα της μεγάλης έκρηξης.
Στις αρχές της δεκαετί
ας του '40, ο Gamow δούλευε στην εξήγηση των παρατηρηθεισών περιεκτικοτήτων των στοιχείων. Ήδη ήταν αποδείγμενα, ότι στους πυρήνες των αστεριών, το υδρογόνο συντήκεται σε ήλιο. Αλλά αυτή η διαδικασία συμβαίνει πάρα πολύ αργά για να αποτελέσει την παρατηρηθείσα περιεκτικότητα ηλίου στον κόσμο (περίπου 1 άτομο του ηλίου για κάθε 10 άτομα του υδρογόνου) και δεν μπορούσε να εξηγήσει την ύπαρξη των στοιχείων πολύ βαρύτερων από το ήλιο. Ο Gamow αναρωτήθηκε εάν οι συνθήκες που επικρατούσαν στο πολύ πρόωρο σύμπαν θα μπορούσαν να έχουν παραγάγει το παρατηρηθέν ήλιο και άλλα στοιχεία.
Η έρευνα χρειάστηκε τη γνώση της πυρηνικής φυσικής, αλλά οι περισσότεροι πυρηνικοί φυσικοί στις ΗΠΑ στο χρόνο ήταν στρατολογημένων στο πρόγραμμα του Μανχάτταν, έτσι ο Gamow ήταν ουσιαστικά μόνος στην εργασία στο πρόβλημα της πυρηνοσύνθεσης.

Άρχισε τους υπολογισμούς, ξεκινώντας με την εξέταση την πυκνότητα της μάζας στο σύμπαν και γύρισε το ρολόι προς τα πίσω ώστε το σύμπαν να αρχίσει να συστέλλεται. Άρχισε έπειτα να υπολογίσει τις πιθανότητες των πυρηνικών αντιδράσεων στο πρόωρο σύμπαν. Δεδομένου ότι το σύμπαν διαστέλλεται, οι συνθήκες συνεχώς αλλάζουν, έτσι οι υπολογισμοί ήταν περίπλοκοι. Όχι ιδιαίτερα έμπειρος στους μαθηματικούς υπολογισμούς ο ίδιος, ο Gamow, στρατολόγησε το σπουδαστή Ralph Alpher για να τον βοηθά.

Άρχισαν, υποθέτοντας ότι η ακραία θερμοκρασία του αρχικού σταδίου του σύμπαντος θα είχε θρυμματίσει όλη την ύλη στην πιο στοιχειώδη μορφή της, οπότε οι αρχικές συνιστώσες του σύμπαντος θα πρέπει να ήταν ένα εξαιρετικά καυτό πυκνό αέριο των νετρονίων – πρωτονίων και ηλεκτρονίων, (που

το ονόμασαν "ylem," μετά από μια μεσαιωνική λέξη για την ύλη). Καθώς το σύμπαν διαστέλλεται, τα καυτά συμπιεσμένα νετρόνια θα διασπώνται σε ένα μίγμα πρωτονίων και ηλεκτρονίων και νετρίνο. Κατόπιν τα πρωτόνια θα συλλάβουν μερικά από τα υπόλοιπα νετρόνια για να διαμορφώσουν το δευτέριο. Το επιπλέον νετρόνιο που συλλαμβάνεται θα σχηματίσει τους βαρύτερους και βαρύτερους ατομικούς πυρήνες. Η διαδικασία θα συνεχιζόταν έως ότου το σύμπαν που διαστέλλεται γίνει τόσο «δροσερό» για να πραγματοποιηθούν οι περαιτέρω αντιδράσεις.
Για τους υπολογισμούς των πυρηνικών διαδικασιών ο Alpher χρησιμοποίησε μερικούς από τους πρώτους ηλεκτρονικούς ψηφιακούς υπολογιστές, οι οποίοι ήταν αναπτυγμένοι κατά τη διάρκεια του 2ου παγκόσμιου πολέμου. Ήταν επίσης ικανός να χρησιμοποιήσει τα νέα δεδομένα όσον αφορά την ενεργή διατομή των σωματιδίων που είχαν διατεθεί μετά από το τέλος του πόλεμου.

Οι υπολογισμοί του συμφωνούσαν με τη γνωστή αφθονία ηλίου. Ευχαριστημένος με το αποτέλεσμά τους, οι Alpher και Gamow υπέβαλαν μια συνοπτική εργασία στη φυσική αναθεώρηση, «Physical Review» με τον τίτλο "η προέλευση των χημικών στοιχείων."- The Origin of Chemical Elements.”-
Ο Gamow, που ήταν γνωστός για την αίσθηση του χιούμορ, είδε ότι η εργασία που είχαν υποβάλει στο περιοδικό Phys.
Review. ήταν να εμφανιστεί την 1η Απριλίου, το 1948. Πρόσθεσε στο έγγραφο, το όνομα του φίλου του Hans Bethe, ο οποίος ήταν γνωστός μεταξύ άλλων, για την εργασία του για τις πυρηνικές αντιδράσεις στα αστέρια, έτσι ώστε οι συντάκτες θα ήταν οι Alpher, Bethe, και Gamow, ένα λογοπαίγνιο στα πρώτα τρία γράμματα του ελληνικού αλφάβητου.
Ο Alpher, ως σπουδαστής PHD που αγωνίζεται να φτιάξει το όνομα του, θύμωσε για την προσθήκη, φοβούμενος ότι το όνομα του διάσημου Bethe θα επισκίαζε το δικό του, μειώνοντας στα μάτια της επιστημονικής κοινότητας την κρίσιμη συμβολή του σε ένα σημαντικό κομμάτι της έρευνας. Αλλά ο Gamow τη δημοσίευσε με το όνομα του Bethe, παρά τις αντιρρήσεις του Alpher.

Μόλις η εργασία υποβλήθηκε προς δημοσίευση, με

το όνομα του Bethe ανάμεσα στα άλλα δυο, ο Gamow έφερε στο γραφείο ένα μπουκάλι κουαντρό, με μια τροποποιημένη ετικέτα που έγραφε «Υλεμ», τη λέξη που είχε επινοήσει για να περιγράψει την αρχέγονη σούπα σωματιδίων η οποία γέμιζε αρχικά το σύμπαν.

Το έγγραφο, ακόμα γνωστό ως η εργασία άλφα-βήτα-γάμμα, όχι μόνο εξήγησε την προέλευση των αφθονότερων στοιχείων στον κόσμο, αλλά και παρείχε την πρώτη υποστήριξη για το μοντέλο της μεγάλης έκρηξης δεδομένου ότι η ανακάλυψη του Hubble το 1929 ότι οι πιο απομακρυσμένοι γαλαξίες είναι μετατοπισμένοι προς το ερυθρό ανάλογα με την απόστασή τους από μας.

Έγινε αργότερα σαφές ότι τα περισσότερα στοιχεία δεν μπορούν πραγματικά να παραχθούν από το τη διαδικασία διαδοχικής σύλληψης νετρονίων που είχαν προτείνει οι Alpher και Gamow αρχικά, επειδή δεν υπάρχει κανένας σταθερός πυρήνας με 5 νουκλεόνια. Μια άλλη διαδικασία απαιτήθηκε για να γεφυρώσει το χάσμα για να δημιουργήσει τα βαρύτερα στοιχεία. Η θεωρία των Alpher-Bethe-Gamow, εντούτοις, σωστά εξηγεί τις αφθονίες υδρογόνου και ηλίου, οι οποίες αποτελούν μαζί περισσότερα από 99 τοις εκατό της βαρυονικής μάζας στον κόσμο.
Μετά από τη δημοσίευση, ο Alpher έπρεπε ακόμα να ολοκληρώσει το PHD του. Οι επιστήμονες και ο Τύπος έμαθαν για το αποτέλεσμα
Alpher-Bethe-Gamow, και 300 άνθρωποι συσσωρεύθηκαν μέσα στην αίθουσα για να ακούσουν την υπεράσπιση της διατριβής του Alpher στο πανεπιστήμιο George Ουάσιγκτον την άνοιξη 1948. Ο δημοσιογράφος της Washington Post, που ακούσε τη δήλωση του Alpher ότι η δημιουργία του υδρογόνου και το ήλιο στη καυτή μαγάλη έκρηξη διάρκεσαν ακριβώς 300 δευτερόλεπτα, θαρραλέα ανέφεραν ότι ο "κόσμος άρχισε σε πέντε λεπτά."



Στον Alpher απονεμήθηκε το PHD του, αλλά τα 15 λεπτά φήμης του τελείωσαν σύντομα. Αφού τελειώσε το PHD του, αυτός και Robert Herman (που αντιστάθηκε στις προσπάθειες του Gamow να τον

πάρουν και να αλλάξουν το όνομά του σε Delter) συνέχισαν την εργασία για τον πρόωρο κόσμο. Εκείνη η έρευνα τους οδήγησε να προβλέψουν τη κοσμική ακτινοβολία μικροκυμάτων, «ΚΑΜ», αλλά η πρόβλεψή τους αγνοήθηκε, και δεν τους αποδόθηκε τιμή όταν ανακαλύφθηκε το CMB σε 1964. Ο Alpher έγινε αργότερα ερευνητής στη General Electric. Το Alpher πέθανε το 2007, αμέσως μετά από τη λήψη του εθνικού μεταλλίου της επιστήμης.

Αξίζει να σημειωθεί ότι ο Gamow με τρομερή αίσθηση του χιούμορ έκανε μια εύθυμη αναδιατύπωση της Γένεσης που δεν είναι τίποτε άλλο παρά μια υπέροχη σύνοψη της πυρηνοσύνθεσης.


Η Γένεσις σύμφωνα με τον Τζορτζ Γκάμοφ.


Εν αρχή εποίησεν ο Θεός την ακτινοβολία και το Ylem. Το δε Ylem ήτο αόρατον και ακατασκεύαστον, και τα νουκλεόνια έτρε­χαν σαν τρελά επί του προσώπου της αβύσσου. Και είπεν ο Θεός: «Γεννηθήτω μάζα δύο». Και εγένετο μάζα δύο. Και είδεν ο Θεός το δευτέριον ότι ήτο καλόν. Και είπεν ο Θεός: «Γεννηθήτω μάζα τρία». Και εγένετο μάζι τρία. Και είδεν ο Θεός το τρίτιον ότι ήτο καλόν. Και ο Θεός συνέχισε να καλεί αριθμούς έως ότου κατέληξεν εις τα υπερουράνια στοιχεία. Και ο Θεός εκοίταξε το έργον του και διεπίστωσε ότι δεν ήτο καλόν. Στον ενθουσιασμό της απαρίθμη­σης είχε λησμονήσει να καλέσει τη μάζα πέντε και έτσι, όπως ή­ταν φυσικό, ο σχηματισμός βαρύτερων στοιχείων ήτο αδύνατος. Ο Θεός ήτο πολύ απογοητευμένος και αρχικά ήθελε να συρρι­κνώσει και πάλι το Σύμπαν και να το εκκινήσει εξαρχής. Όμως τούτο θα ήτο υπερβολικά απλό. Έτσι, παντοδύναμος ων, ο Θεός αποφάσισε να διορθώσει το σφάλμα Του με τον πλέον αδύνατο τρόπο.Και είπεν ο Θεός: «Γεννηθήτω Χόιλ». Και εγένετο Χόιλ. Και εί­δεν ο Θεός τον Χόιλ και του είπε να φτιάξει βαρέα στοιχεία με τρόπο της αρεσκείας του.Και ο Χόιλ αποφάσισε να φτιάξει βαρέα στοιχεία στο εσωτερικό των αστέρων, και να τα διασκορπίσει στο σύμπαν μέσω εκρήξε­ων σουπερνόβα.Όμως, με αυτόν τον τρόπο έπρεπε να πάρει τις ί­διες περιεκτικότητες με εκείνες που θα προέκυπταν απ' την πυρηνοσύνθεση στο Ylem, αν ο Θεός δεν είχε λησμονήσει να καλέ­σει τη μάζα πέντε.Και έτσι, με τη βοήθεια του Θεού, ο Χόιλ έφτιαξε με το δικό του τρόπο βαρέα στοιχεία, αλλά ο τρόπος ήτο τόσο περίπλοκος ώστε σήμερα ούτε ο Χόιλ, ούτε ο Θεός, ούτε κανείς άλλος μπορεί να καταλάβει ακριβώς πώς φτιάχτηκαν.
Πηγές:
1. This month in physics history
2. Singh,S ((2005), Big Bang, Αθήνα,Εκδ. Τραυλός.

Δεν υπάρχουν σχόλια: