Il concetto del Big Bang. Storia ed essenza della scoperta scientifica

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La possibilità dell'espansione dell'Universo è stata prevista teoricamente come una delle conseguenze dell'applicazione della teoria della relatività generale alla soluzione dei problemi cosmologici. I primi lavori in quest'area appartenevano al talentuoso matematico sovietico Alexander Alexandrovich Friedman (1888-1925). È ampiamente conosciuto come geofisico-meteorologo, specialista in questioni applicate alla dinamica atmosferica. Ma Friedman dedicò molto tempo all’analisi matematica delle soluzioni delle equazioni cosmologiche di Einstein. Poco prima della sua morte, Friedman ottenne una serie di soluzioni alle equazioni di Einstein. Si è scoperto che l'espansione potrebbe essere una delle principali proprietà generali dell'Universo, l'attributo più importante della sua evoluzione. Inizialmente il lavoro dello scienziato russo non attirò la dovuta attenzione. Sono stati apprezzati solo in relazione alla scoperta E. Hubble redshift e lo sviluppo di idee moderne sull'Universo originariamente caldo e sul Big Bang.

Nel 1927, J. Lemaitre, uno studente di Eddington, indipendentemente da Friedman, avanzò la sua idea dell'origine dell'Universo e della sua ulteriore espansione a partire da un punto. Per qualche tempo le fu dato il nome di “atomo padre”. Lo stesso Lemaitre era categoricamente contrario a tale immagine e, in generale, all'interpretazione teologica della sua teoria. Lemaitre ha presentato il processo dell'emergere dell'Universo sotto forma di Big Bang. Il giovane scienziato fu il primo a cercare di trovare probabili tracce dell'esplosione iniziale. Lemaitre ha ammesso che i raggi cosmici potrebbero essere una tale eco. Gli astronomi notarono la sua ipotesi solo dopo un discorso nel 1933, quando Lemaitre propose una nuova versione del concetto di espansione dell'Universo - da un denso ammasso di materia di dimensioni finite, ma molto piccole.

Il compito di formare un modello cosmologico-cosmogonico evolutivo più specifico e fisicamente sviluppato dell'Universo in espansione è stato risolto principalmente dal fisico americano Gamow, russo di nascita. George (George Antonovich) Gamow (1904–1968) propose per primo nel 1946 una teoria che in seguito divenne nota come “Teoria del Big Bang” (più precisamente, “Big Impact”). Secondo esso, l'intero universo osservabile moderno è il risultato di un'espansione catastroficamente rapida della materia, che prima si trovava in uno stato superdenso, inaccessibile alla descrizione nell'ambito della fisica moderna.

La rimozione delle galassie è soggetta a schemi matematici insoliti. Succede a velocità diverse. Maggiore è la distanza tra le galassie, maggiore è la velocità della loro rimozione reciproca.

"Siamo in grado di costruire un modello della "dispersione" delle galassie sopra descritto", scrive A.A. Gurnshtein, "se non consideriamo il reale spazio infinito di tre dimensioni, ma ci limitiamo nel nostro modello solo alla superficie - lo spazio di due dimensioni. Immaginiamo che "l'intero Universo" sia situato su una superficie chiusa, che è simile alla superficie di una palla di gomma che si gonfia costantemente. Lasciamo che le galassie nel nostro modello siano rappresentate da punti segnati sulla superficie di questa man mano che si gonfia, tutte le distanze tra le “galassie”, misurate lungo la superficie della palla, aumenteranno infatti sistematicamente, e la velocità di recessione delle “galassie” sarà tanto maggiore quanto maggiore sarà la distanza iniziale tra loro. "

Come credeva Gamow, l'espansione della materia iniziata nello stesso momento - sotto forma di una miscela ad alta temperatura inizialmente inseparabile di radiazione e materia (particelle elementari) - si osserva anche oggi sotto forma di effetto "redshift".

Gamow, insieme ai suoi collaboratori R. Alfer e R. Herman, predisse nel 1948 che si dovesse osservare anche la radiazione termica elettromagnetica isotropa primaria raffreddata con una temperatura di circa 5 K.

"Tuttavia, lo sviluppo della teoria fu in gran parte ostacolato dall'atteggiamento scettico generale degli astrofisici di quegli anni nei confronti della possibilità di risolvere un problema così fantastico - per comprendere "l'inizio della storia dell'intero Universo nel suo insieme", scrive A.I. Eremeeva e F.A. nel loro libro “Storia dell'astronomia”. Tsitsin - D'altra parte, i radiofisici ritenevano del tutto impossibile rilevare l'emissione radio termica a una temperatura così bassa nello spazio cosmico con l'aiuto delle apparecchiature esistenti a causa del fatto che un tale segnale verrebbe soffocato dall'emissione radio delle stelle, delle galassie, del mezzo interstellare, in breve, dal rumore radio cosmico.

Per quasi due decenni, il concetto del Big Bang per la maggior parte degli astronomi è rimasto un "gioco mentale" di pochi fisici e cosmologi. Fu solo più tardi che divenne chiaro che la precedente soluzione del problema era in gran parte ostacolata dal divario nei contatti scientifici che ancora esiste tra teorici e osservatori moderni. Anche la differenziazione della scienza ha svolto un ruolo negativo significativo, a causa della quale gli specialisti, anche quelli che lavorano in campi correlati, a volte sanno poco dei problemi dei loro vicini.

Una conseguenza del concetto di un Universo inizialmente caldo è stata la conclusione che, come eredità di quest'epoca, se solo fosse realmente avvenuta, la radiazione residua, o, come viene chiamata, relitta, nella gamma radio dovrebbe essere preservata ovunque nell'universo.

Nel 1941, l'astrofisico canadese E. McKellar incontrò un fenomeno insolito: lo stato eccitato delle molecole di ciano interstellari. La temperatura di eccitazione era di 2,3 K. Questo fatto potrebbe essere la base per concludere che esiste una corrispondente radiazione eccitatrice nello spazio cosmico. Sembra però che gli autori della teoria del Big Bang non sapessero nulla di questa scoperta. Solo molto più tardi, l'astrofisico sovietico I.S. dimostrò che questo stato delle molecole di cianogeno è causato proprio dalla radiazione relitta. Shklovsky e indipendentemente numerosi altri autori.

Calcoli di A.G. Doroshkevich e I.D. Novikov nel 1964 dimostrò che il CMB è, in linea di principio, rilevabile e, quindi, la conclusione della teoria del Big Bang può essere verificata utilizzando osservazioni. Molto più tardi, con il senno di poi, divenne chiaro che al momento di questo calcolo, la radiazione cosmica di fondo a microonde era già stata scoperta in URSS e in Giappone. In URSS, questa scoperta è stata pubblicata da T.A. Shmaonov nel 1957.

"Ma il problema era", scrive Gurnstein, "che gli osservatori e i teorici lavoravano in isolamento l'uno dall'altro. Non c'era scambio di informazioni tra di loro. L'osservatore non sapeva come interpretare correttamente i suoi strani risultati. Il notevole articolo del i teorici sono passati inosservati.

Verso la metà degli anni Sessanta, i radioastronomi sperimentali decisero di costruire apparecchiature speciali per rilevare la radiazione cosmica di fondo a microonde. Ma sono stati superati dagli ingegneri che hanno svolto ricerche sulla lotta al rumore radio in comunicazione con i satelliti artificiali della Terra.

Nel 1965, gli ingegneri radiofonici A. Penzias e R. Wilson (USA), durante i test di un'antenna a tromba per l'osservazione del satellite American Echo, scoprirono accidentalmente l'esistenza del rumore radio cosmico a microonde (a una lunghezza d'onda di 7,35 cm), che non dipende sulla direzione dell'antenna.

Nel periodo 1966-1967, questa scoperta - la scoperta della radiazione cosmica di fondo dell'Universo - fu confermata in modo indipendente da numerosi ricercatori in diversi paesi. Le caratteristiche di questo fenomeno, corrispondente alla radiazione termica complessiva dell'Universo con una temperatura di circa 2,7 K, coincidono con le previsioni della teoria del Big Bang.

Gli autori del libro "History of Astronomy" osservano: "La scoperta della radiazione cosmica di fondo a microonde è stata la più grande conquista dell'astronomia del XNUMX° secolo ed è stata in gran parte il risultato dello sviluppo della tecnologia della radioastronomia e del fatto che l'atmosfera scientifica era maturo per la sua percezione.Questa scoperta ha reso un fatto affidabile almeno che l'Universo (Metagalassia) si sta effettivamente evolvendo.Infine, la scoperta della radiazione cosmica di fondo a microonde è diventata un potente stimolo per l'ulteriore sviluppo dell'idea di il big Bang.

Una nuova fase nello sviluppo di idee sulle prime fasi dell'evoluzione dell'Universo è stata la "teoria dell'universo caldo", in particolare nelle opere dell'accademico Ya.B. Zeldovich (1914–1987) e la sua scuola. L'idea della natura dell'espansione iniziale dell'Universo è cambiata molto oggi. Oltre alla principale difficoltà nel descrivere un tale "inizio" (la sua inaccessibilità per la fisica teorica moderna), sono state scoperte altre gravi difficoltà nel tentativo di descrivere la successiva, già in linea di principio accessibile alla fisica moderna, ma ancora molto precoce, storia dell'espansione dell'Universo nel suo insieme.

Per superare queste difficoltà, negli anni '80 fu proposto il concetto di Universo inflazionistico (o inflazionario) (A. Gut, USA; A. D. Linde, URSS). Viene discussa l'idea della molteplicità e dell'emergenza ripetuta in diversi momenti del tempo degli stessi universi in espansione. Pertanto, l'antica idea della rinascita dell'Universo, l'idea di una catena infinita di nascite e morti di mondi di tutte le scale, così come il concetto di universi insulari, nati come risultato della combinazione della teoria e delle osservazioni gravitazionali, vengono ripresi in questi giorni, ma ad un livello incomparabilmente più alto - sia in relazione alla scala che alla diversità qualitativa degli oggetti. Queste idee possono essere considerate un presagio e forse l’inizio di una terza rivoluzione nel quadro cosmologico del mondo”.

Autore: Samin D.K.

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Tuttavia, come altri sistemi corporei, l'orologio biologico cambia nel tempo, cioè invecchia. Ad esempio, con l'età, una persona inizia a dormire meno, inizia a svegliarsi prima al mattino e la sua temperatura corporea, che obbedisce anche ai ritmi quotidiani, non cambia più giorno e notte come in gioventù. Ovviamente, alcuni cambiamenti legati all'età si riferiscono ai geni che controllano l'orologio biologico, ma cosa siano questi cambiamenti, cosa accada esattamente ai geni circadiani - specialmente quelli che funzionano nel cervello - è ancora poco noto.

I ricercatori dell'Università di Pittsburgh hanno confrontato campioni di cervello di quasi 40 persone che non avevano più di 60 anni o più di 245. I campioni sono stati prelevati solo da coloro che conoscevano l'ora della morte e che non avevano malattie neuropsichiatriche - né se stessi né la famiglia membri. I neuroscienziati erano interessati ai cambiamenti nell'attività dei geni che operano nella corteccia prefrontale (che è nota per essere responsabile di funzioni cognitive superiori) e che mostrano cambiamenti diurni nell'attività. Ce n'erano ben XNUMX; correlando il livello di RNA letto da un determinato gene, o la proteina che codifica, con l'ora della morte, è stato possibile determinarne l'attività, e quindi, confrontando campioni di persone di età diverse, è stato possibile capire come l'attività di questo gene è cambiata con l'età.

Nelle persone più giovani, tutti i geni circadiani classici hanno funzionato con un ritmo ben definito, ma nel tempo, in molti di loro, il ritmo si è attenuato, cioè in diversi momenti della giornata hanno iniziato a funzionare allo stesso modo. Ma allo stesso tempo, nel funzionamento di alcuni geni che in precedenza non dipendevano dall'ora del giorno, sono comparsi improvvisamente cambiamenti quotidiani. In altre parole, non vale la pena dire che l'attività genetica nel cervello cambia solo in una direzione, che tutti i geni ciclici diurni perdono gradualmente la loro ciclicità: il quadro reale è in realtà più complicato.

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