Spis treści

Karta redakcyjna

Dedykacja

Motto

Wprowadzenie. W poszukiwaniu genezy

1. Dzieci pęczniejącego Kosmosu

Dni komety

Epoka rewolucji

Formowanie kosmicznej gliny

Gwiazdy i atom

Tworzenia Wszechświata

Nieruchoma materia czy niematerialny ruch?

2. Przygotowywanie pola bitwy. Oczekiwanie na kosmologiczne starcie

Mędrzec z Petersburga

Utracona szansa

Pierwotny atom

Przewidywania stacjonarnego Wszechświata

Tchnąć życie w kosmologię

3. Odkrywanie tajemnic jądra atomu

Przełamywanie barier

Dom, który zbudował Bohr

Rendez-vous z Rutherfordem

Ucieczka z Rosji

Kopenhaga nad Potomakiem

Katastrofa w Cambridge

Supernowe na celowniku

4. Zapętlenie w głuchą noc. Teoria ciągłego tworzenia

Nieustający wylęg nowych cząstek

Starcie modeli stanu stacjonarnego

Pan Tompkins i cuda telewizji

Chrzest Wielkiego Wybuchu

Objaśnienie Wszechświata

5. Alfa i Omega. Ognisty początek

Uczeń czarnoksiężnika

Taniec neutronów

Alfa, beta, gamma, a czasem też delta

Blask kosmicznej poświaty

Papieskie błogosławieństwo dla Wielkiego Wybuchu

Sprawy rodzinne

6. Kształtowanie pierwiastków

Idealne warunki do produkcji

Kwartet gwiazd

Eksplozja bogactw

Wożąc ojca Lemaître’a

Nieustająca awantura z Ryle’em

7. Triumf Wielkiego Wybuchu

Ogień Feniksa

Syk Kosmosu

Ubiegli nas!

8. Punkt, z którego nie ma odwrotu

Ostateczna granica

Czarne jak węgiel niebo nad górniczą krainą

Kwazary i małe wybuchy

Ostatnia misja Gamowa

9. Życie na uboczu

Powstanie i upadek instytutu Hoyle’a

Moment Objawienia

Noblowskie pominięcia

Plamy na Słońcu, choroby z Kosmosu i źle zrozumiany archeopteryks

Powrót komety

Ostatni horyzont

Zakończenie. Dziedzictwo Gamowa i Hoyle’a

Podziękowania

Bibliografia

Przypisy

© Copyright by Copernicus Center Press, 2023

Copyright © 2021 by Paul Halpern
All rights reserved

Tytuł oryginalny
Flashes of creation. George Gamow, Fred Hoyle, and the great Big bang debate

Konsultacja naukowa
dr Tomasz Miller

Redakcja
Dariusz Niezgoda

Projekt okładki i stron tytułowych
Michał Duława

Skład
MELES-DESIGN

ISBN 978-83-7886-683-1

Wydanie I

Kraków 2023

Wydawca: Copernicus Center Press Sp. z o.o.
pl. Szczepański 8, 31-011 Kraków
tel. (+48) 12 448 14 12, 500 839 467
e-mail: redakcja@ccpress.pl
www.ccpress.pl

Konwersja: eLitera s.c.

Kochanym Adenowi, Eliowi i Felicii

Cytujesz, rzekł Hoyle,

Jak widzę, Lemaître’a

I Gamowa. Wyrzuć z pamięci!

Tę bandę wariatów

I ich Wielki Wybuch –

Po co wspierać i podżegać chęci?

Widzisz, mój przyjacielu,

Takie Wszechświata losy

Że końca i początku nie ma

Czego Bondi, Gold

I ja strzec będziemy,

Aż się nam przerzedzą włosy!

– Barbara Gamow, komentarz w sprawie
Ryle kontra Hoyle, Mr Tompkins in Paperback

Wprowadzenie

W poszukiwaniu genezy

Wierę, niedorzecznym było

Myślić, że Natura na Ziemi w jednej chwili

Złoto rodzi doskonałe. Coś było najsampierw.

Materia jakaś odwieczna.

Ben Jonson, Alchemik

Rozstrzygnięcie wielkiej debaty kosmologicznej połowy XX wieku nie było ich głównym celem. Jednak w 1964 roku, astrofizycy Arno A. Penzias i Robert W. „Bob” Wilson nieoczekiwanie odkryli elektromagnetyczny szum, który okazał się promieniowaniem reliktowym ze wczesnych etapów ewolucji Wszechświata. Ku ich zaskoczeniu zinterpretowane i opublikowane w kolejnym roku odkrycie promieniowania tła pomogło zakończyć trwający od dawna spór na temat czasu i przestrzeni. Teoria Wielkiego Wybuchu postulowała, że istnienie Wszechświata zaczęło się od wybuchu materii i energii, podczas gdy jej główna rywalka – teoria stanu stacjonarnego – nie opisywała pierwotnej erupcji, ale powolne, nieprzerwane i trwające do dziś tworzenie się materii. Odkrycie promieniowania tła przez Penziasa i Wilsona przechyliło szalę na stronę Wielkiego Wybuchu.

Chociaż wielu badaczy przyczyniło się do rozwoju obu teorii, w oczach opinii publicznej debata sprowadzała się do starcia między dwiema niezwykle błyskotliwymi i urzekająco dziwacznymi postaciami. Od końca lat czterdziestych XX wieku rosyjsko-ukraińsko-amerykański fizyk George Gamow – mistrz wybitnych spostrzeżeń i szokujących gier słownych – dzierżył sztandar Wielkiego Wybuchu (choć nie lubił tego określenia), a brytyjski astrofizyk Fred Hoyle, znany ze swojej uporczywej wytrwałości, nieszablonowych pomysłów i zamiłowania do długich wędrówek górskich, wytrwale opowiadał się za wersją stacjonarną teorii. Ich przekonujące argumenty, przedstawiane w popularnych mediach, takich jak „Scientific American” i „New York Times”, wywoływały wśród sympatyków nauki szeroką dyskusję na temat prawdopodobieństwa lub nieprawdopodobieństwa zaistnienia pojedynczego momentu stworzenia w odległej przeszłości.

Pytania o pochodzenie wszystkiego mają długą tradycję. Czy Wszechświat istnieje od zawsze? A może był jakiś początek? Czy cała materia i energia sączyły się przez eony maleńkimi strużkami, czy wszystko powstało naraz, w jednym wybuchu? Czy młode i stare galaktyki rozłożone są w Kosmosie równomiernie, a może ich układ zawiera informację o tym, kiedy powstały i jak się rozwijały?

Na długo przed tym, jak kosmolodzy poważnie zaczęli traktować tego typu pytania, były one domeną teologów i filozofów. Wybór albo wychowanie w jakiejś tradycji religijnej determinowało preferowaną kosmogonię człowieka. Wiele starożytnych systemów wierzeniowych, takich jak hinduizm, taoizm, religie Babilończyków, Greków (w czasach Platona), a także rdzennych Amerykanów, opierało się na koncepcji cykli kosmicznych. Nic we Wszechświecie tak naprawdę nie umierało – po końcu jednej epoki niezmiennie następowały narodziny nowej.

Z drugiej strony, religie abrahamowe – judaizm, chrześcijaństwo i islam – opowiadały się za jednorazowym, powszechnym momentem stworzenia. Moment ten był zaraniem ludzkości i wszystkich śmiertelnych rzeczy, pozostających w jaskrawym kontraście z koncepcją wiecznego Boga. Podobnie jak życie tych, których przeznaczeniem jest starzeć się, zachorować i umrzeć, tak jednokierunkowy, liniowy schemat czasu miał swój początek w jasno sprecyzowanym i wspaniałym akcie narodzin.

W latach dwudziestych XX wieku, a także w następnych dziesięcioleciach, dzięki pracy Alberta Einsteina, Georges’a Lemaître’a, Edwina Hubble’a i innych naukowców, debata na temat tego, czy Wszechświat miał początek, przesunęła się na grunt świecki. Ogólna teoria względności Einsteina dokładnie określiła, w jaki sposób modele matematyczne mogą śledzić rozwój Kosmosu. Lemaître i inni, a zwłaszcza rosyjski matematyk Aleksandr Friedman, wykorzystali system Einsteina, by naukowo ustanowić osie czasu kosmicznych wydarzeń. Sam Lemaître spekulował, że w pewnym określonym momencie w przeszłości Wszechświat zaistniał jako ekstremalnie mały, ultragęsty obiekt – coś w rodzaju gigantycznego atomu – i w pewnej chwili zaczął rosnąć, aż osiągnął swój obecny rozmiar. Hubble, czerpiąc w dużej mierze z prac astronomów Vesto Sliphera, Henrietty Leavitt i innych, użył teleskopu Hookera w Obserwatorium Mount Wilson w Kalifornii, aby wykazać, że Wszechświat jest pełen galaktyk i że wszystkie, oprócz tych najbliższych, oddalają się od naszej galaktyki, Drogi Mlecznej, w tempie zależnym od ich odległości. Lemaître argumentował, że obserwacja Hubble’a potwierdza jego przewidywania rozszerzającego się Wszechświata, a Einstein w końcu się z tym zgodził. Hubble pozostał niezdecydowany w kwestii tego, czy Wszechświat się rozszerza, wskazując po prostu na swoje dane dotyczące oddalania się galaktyk jako wystarczający wkład w trwającą dyskusję.

Biorąc pod uwagę niezdecydowanie Hubble’a, większe zainteresowanie Einsteina innymi tematami i pokorną niechęć Lemaître’a do rozgłaszania swoich pomysłów (był zarówno księdzem, jak i naukowcem), naukowa kosmologia nie cieszyła się wielką popularnością w latach poprzedzających II wojnę światową i podczas jej trwania. Nie istniała żadna prawdziwa debata publiczna, a relacje o ewolucji Wszechświata pojawiały się tylko na łamach czasopism naukowych.

Rosyjsko-ukraińsko-amerykański fizyk George Gamow, który twierdził, że wczesny Wszechświat był gorącą, gęstą zupą formujących się pierwiastków chemicznych. Źródło: AIP Emilio Segrè Visual Archives, Physics Today Collection

Wszystko zmieniło się pod koniec lat czterdziestych dzięki Gamowowi i Hoyle’owi. Każdy był na swój sposób erudytą, buntownikiem i mistrzem przekazywania wiedzy naukowej. Obaj byli wielkimi fanami Hollywood i jego magicznej koturnowości, dostrzegali też potencjał nowych mediów (radia i telewizji) do komunikowania szerokiej publiczności zdumiewających pomysłów. To dawało im moc przekonywania odbiorców oraz pozwalało wpływać na nich w stopniu o wiele większym, niż robiły to akademickie periodyki i popularne czasopisma specjalistyczne.

Gamow, fizyk jądrowy, który przeniósł swoje zainteresowania na kosmologię, kontynuował dziedzictwo idei Lemaître’a. Wraz ze swoim uczniem Ralphem Alpherem i innym badaczem, Robertem „Bobem” Hermanem, napisał kilka kluczowych artykułów na temat kosmogenezy – tworzenia się materii w gorących wczesnych momentach istnienia Wszechświata. Niekonwencjonalny humor Gamowa i przenikliwy zmysł do wyjaśniania zadziwiających aspektów współczesnej nauki ożywiały jego pracę i czyniły ją przyjemną w odbiorze dla ogółu społeczeństwa. Gamow nie był żadnym poważnym kaznodzieją – uwielbiał żartować jak gospodarz wieczornego telewizyjnego show. Jego znakiem rozpoznawczym były psikusy i dowcipy. W wielu popularnych utworach – takich jak wspaniała seria książek o urzędniku bankowym o nazwisku Tompkins, który napotyka różne cuda nauki – obficie występujący tam dowcip i zabawne ilustracje czyniły naukę interesującą i lekką. Żywy opis ekspansji kosmicznej autorstwa Gamowa – od ultragęstego, pojedynczego punktu do obecnego rozmiaru Wszechświata – w książce The Creation of the Universe (Powstanie Wszechświata) z 1952 roku tchnął życie w teorię znaną później jako teoria Wielkiego Wybuchu. W tej i innych pracach Gamow użył dość kuriozalnie brzmiącego słowa ylem, aby opisać pierwotny, ultragęsty stan Wszechświata. Ylem – termin wybrany przez Alphera – pochodzi od mało znanego średniowiecznego, łacińskiego słowa hylem, oznaczającego materię.

Brytyjski astrofizyk Fred Hoyle, współtwórca teorii stanu stacjonarnego w kosmologii i zwolennik poglądu, że większość pierwiastków chemicznych powstaje w gorących jądrach gwiazd. Źródło: zdjęcie autorstwa Ramsey i Muspratt, dzięki uprzejmości AIP Emilio Segrè Visual Archives, Physics Today Collection

Fred Hoyle, czołowy orędownik teorii stanu stacjonarnego, nie był showmanem jak Gamow. Miał sarkastyczne poczucie humoru, a jego żarty były znacznie mniej oczywiste. Podczas gdy Gamow chwytał się błazeńskich kawałów lub gier słów nie z tej ziemi, dowcip Hoyle’a był mroczniejszy i bardziej cyniczny: żartował, na przykład, z okrutnych okoliczności życiowych, takich jak wyzwania związane z procesem starzenia[1].

By rozbroić intelektualnych przeciwników, Hoyle często używał kpin. Zazwyczaj przedstawiał teorie innych badaczy w sposób mniej niż pochlebny, co sprawiało, że jego własne pomysły brzmiały znacznie bardziej sensownie. W tej intelektualnej szermierce praktycznie nigdy nie szydził z samych naukowców, z których wielu, jak Lemaître’a, głęboko podziwiał. Wielkim wyjątkiem był jego kolega z Cambridge, Martin Ryle, którego nie lubił ze względu na niestabilną osobowość i arogancką, lekceważącą postawę, a także konkurencyjne idee.

Jak na mistrza uniwersyteckiej grupy dyskusyjnej przystało, szanował raczej swoich przeciwników, jednocześnie znajdując słabe punkty w ich argumentacji. Zmyślna krytyka Hoyle’a, jak i błazeństwa Gamowa zapewniły im obu wielki rozgłos.

Posługując się ciętym dowcipem, Hoyle uznał pomysł, że cała materia w kosmosie powstała w jednym momencie, za całkowicie niedorzeczny. Postrzegał to jako tanią sztuczkę – sztuczkę, która nie przystoi poważnym naukowcom. To on ukuł termin „Wielki Wybuch” jako szyderczy epitet podczas naukowego programu radiowego BBC, wyemitowanego po raz pierwszy 28 marca 1949 roku: „Teorie te oparły się na hipotezie, że cała materia we Wszechświecie powstała w jednym wielkim wybuchu w określonym czasie, w odległej przeszłości” – powiedział. „Okazuje się jednak, że pod takim czy innym względem wszystkie tego typu teorie stoją w sprzeczności z obserwacjami [...] Badacze tego problemu są jak grupa alpinistów próbująca zdobyć nieosiągalny szczyt”[2].

Ostatnia uwaga była tym dotkliwsza, że Hoyle chlubił się swoim doświadczeniem w zakresie wędrówek wysokogórskich i wspinaczki. Pod koniec życia rozkoszował się faktem, że zdobył wszystkie najwyższe góry w Szkocji: 282 szczyty o wysokości ponad 914 metrów, tak zwane Munros. Jego słowa w gruncie rzeczy znaczyły więc: „Zostawcie kosmologię ekspertom albo uczcie się intensywnie i sami nimi zostańcie”[3].

Hoyle regularnie pojawiał się w brytyjskim radiu jako czołowy krytyk Wielkiego Wybuchu. Zrobił to, na przykład, w pięcioczęściowej audycji The Nature of the Universe (Natura Wszechświata), która została wydana również w formie książkowej w 1950 roku. Stał się także płodnym pisarzem książek popularnonaukowych i science fiction. Podobnie jak Gamow – poza samymi osiągnięciami naukowymi zasłynął również jako popularyzator nauki.

Gamow nigdy nie darzył sympatią terminu „Wielki Wybuch”, ponieważ uważał, że narodziny Wszechświata ani nie miały wielkich rozmiarów (Wszechświat był w tamtym momencie maleńki), ani nie były wybuchem (Wszechświat nigdy tak naprawdę nie eksplodował; przestrzeń po prostu się rozrosła). Mimo to nazwa się przyjęła.

Prawdopodobnie ze względu na siłę ich osobowości i powszechną obecność w mediach Gamow i Hoyle byli postrzegani jako główni przeciwnicy w epickiej debacie o Wielkim Wybuchu i teoriach stanu stacjonarnego. Wszyscy inni współautorzy – od Friedmana i Lemaître’a do Alphera i Hermana po stronie Wielkiego Wybuchu, oraz Hermanna Bondiego i Thomasa Golda opowiadających się za Hoyle’em i teoriami stanu stacjonarnego – wydawali się mniej ważni. Chociaż dobrze poinformowani czytelnicy znali te nazwiska, to ci, którzy śledzili debatę w prasie popularnej, zwłaszcza w Stanach Zjednoczonych, skupiali się głównie na dwóch najbardziej znanych. Podczas wywiadu przeprowadzonego przez Martina Harwita, Alpher, opierając się na zapamiętanych faktach, potwierdził, że rywalizacja „była zwykle lokowana w kontekście dyskursu Hoyle kontra Gamow”[4].

Od początku lat pięćdziesiątych do połowy lat sześćdziesiątych miłośnicy nauki świetnie się bawili, opowiadając się po jednej lub po drugiej ze stron wielkiej debaty kosmologicznej. Podczas gdy Gamow i Hoyle mieli zdecydowanie świeckie poglądy i skupiali się tylko na kwestiach naukowych, niektórzy czytelnicy i słuchacze wiązali ich idee z zagadnieniami wiary. Jak to bywa w sporach naukowych – dopóki nie zostaną poznane wszystkie fakty, często przeważają preferencje osobiste, filozoficzne i religijne. To właśnie sprawiło, że batalia Wielkiego Wybuchu z teorią stanu stacjonarnego była tak pociągająca. W pierwszym przypadku czas i Wszechświat mają określony początek. W drugim – oba są odwieczne. W konsekwencji wiele religijnych osób odnajdywało w Wielkim Wybuchu dowody Boskiego stworzenia. Ci, którzy woleli obejść się bez stwórcy, na ogół skłaniali się ku teorii stanu stacjonarnego. Był to wybór oparty na wierze, a nie na dowodach – salonowy zakład, który miał sens tylko do czasu odkrycia przez Penziasa i Wilsona mikrofalowego promieniowania tła. To odkrycie miało przeważyć szalę na jedną ze stron.

Podczas obserwacji rozpoczętych w 1964 roku i kontynuowanych w roku 1965 przy użyciu urządzenia zwanego anteną tubową w Bell Laboratories w Holmdel w New Jersey Penzias i Wilson odkryli uporczywy szum radiowy, który wydawał się dobiegać ze wszystkich kierunków. Bez względu na to, w którą stronę badacze kierowali detektor, szum był taki sam. Po wykluczeniu wszelkich lokalnych przyczyn Penzias i Wilson znaleźli się w kropce. Na szczęście członkowie zespołu z pobliskiego Uniwersytetu Princeton, kierowanego przez Roberta H. „Boba” Dicke, w skład którego wchodził młody teoretyk P.J.E. „Jim” Peebles, wywnioskowali, że ów syk jest reliktowym promieniowaniem gorącej kuli ognia, jaką był wczesny Wszechświat, schłodzonym do bardzo niskiej temperatury około trzech stopni powyżej zera absolutnego. Wyniki obserwacji zmieniły bieg nauki, czyniąc (przynajmniej w umysłach większości badaczy głównego nurtu) Wielki Wybuch faktem, a teorię stanu stacjonarnego – historyczną ciekawostką. Alpher i Herman, którzy pracowali z Gamowem nad teorią Wielkiego Wybuchu, przewidzieli reliktowe promieniowanie, a Penzias, Wilson i (niedawno) Peebles za niezwykły wkład w rozwój kosmologii otrzymali Nagrodę Nobla.

Zarówno Gamow, jak i Hoyle byli ekspertami nie tylko w tej dziedzinie. Ich kosmologiczny spór to jeden z aspektów ich wyjątkowego wkładu w rozwój nauki, a także jej popularyzację. Rozkoszując się literaturą i sztuką oraz tak różnorodnymi dziedzinami nauki jak genetyka i astrobiologia, byli prawdopodobnie dwoma najbardziej kreatywnymi naukowcami XX wieku. Chociaż mieli odmienne pochodzenie, każdy z nich wychował się w podobnej atmosferze – radość należy znajdować w samym procesie odkrywania, a nie tylko upajać się jego rezultatami.

Wybitne zdolności Gamowa i Hoyle’a rzuciły światło na inną odwieczną zagadkę: jak z podstawowych składników wyłoniła się w Kosmosie różnorodność pierwiastków? Dzięki ich niezależnym wysiłkom – które ostatecznie okazały się pięknie uzupełniać – wiemy teraz, jak powstał każdy pierwiastek w układzie okresowym, od prostego wodoru po te najbardziej złożone.

Maleńkie jądro atomu składa się z dodatnio naładowanych protonów i neutralnych neutronów, otoczonych chmurą ujemnie naładowanych elektronów. Skład jądra atomowego odróżnia jeden pierwiastek od drugiego. Najbardziej podstawowy jego typ – najczęściej występującego rodzaju wodoru – zawiera pojedynczy proton. Jądra innych pierwiastków mają różną liczbę protonów i neutronów. Na przykład najpowszechniejsza odmiana uranu, najcięższego naturalnie występującego pierwiastka, składa się z 92 protonów i 146 neutronów.

Parsymonia sugeruje, że złożoność rodzi się z prostoty. Zamiast twierdzić, że każdy pierwiastek – składający się z tych samych protonów, neutronów i elektronów, co wszystkie inne – ma całkowicie niezależne pochodzenie, dużo oszczędniej jest założyć, że jakiś naturalny proces łączenia się jąder przemienił lekkie pierwiastki, takie jak wodór, w cięższe, jak hel, lit i tak dalej, prowadząc w końcu do powstania tych najbardziej masywnych, jak uran. Okazało się jednak, że opracowanie sensownego modelu, który wyjaśniłby, w jaki sposób wszystkie naturalnie występujące w Kosmosie pierwiastki powstały z tych prostszych, nie było łatwe.

Badania przeprowadzone w latach dwudziestych i trzydziestych XX wieku przez błyskotliwych naukowców, takich jak Arthur Eddington i Hans Bethe (którzy wspomagali się kluczowymi spostrzeżeniami Gamowa), wykazały, w jaki sposób dwa jądra wodoru mogą łączyć się, tworząc hel. Ten proces, zwany fuzją, jest źródłem energii Słońca. Jednak wizja konieczności wyjaśnienia tego, jak powstała lwia część pierwiastków chemicznych w Kosmosie, okazała się zniechęcająca.

Szczęśliwie wyzwanie to zdecydowały się podjąć dwa niezwykłe umysły. Dzięki geniuszowi Gamowa i Hoyle’a wiemy teraz, jak powstają jądra atomowe wszystkich pierwiastków w układzie okresowym. Niezależnie od siebie obaj naukowcy dowiedli, jak poprzez fuzję jądrową, która zachodzi w temperaturach znacznie wyższych niż te wewnątrz Słońca, natura na dwa różne sposoby przekształca proste elementy składowe w złożone struktury.

Gamow, wraz z Alpherem i Hermanem, opracowali schemat procesu, który nazwali pierwotną nukleosyntezą (Big Bang nucleosynthesis). Podczas nukleosyntezy, trwającej przez kilka pierwszych minut istnienia ultragęstego Wszechświata, jądra znanych nam pierwiastków chemicznych powstawały krok po kroku z jąder prostszych pierwiastków. Z powodu początkowej koncentracji energii we Wszechświecie temperatura w pierwszych momentach stworzenia musiała być ekstremalnie wysoka, co – jak przypuszczali badacze – umożliwiło formację wszystkich pierwiastków chemicznych.

Jako niewierzący w Wielki Wybuch Hoyle był zmuszony obmyślić jakiś inny sposób powstawania pierwiastków. Opracował, a potem – z Williamem Fowlerem, Margaret Burbidge i Geoffreyem Burbidge – udoskonalił ideę tworzenia się pierwiastków chemicznych w jądrach gwiazd w kilku odrębnych procesach, które zachodzą na różnych etapach ich życia, w tym podczas nagłego zapadania grawitacyjnego jądra pod sam koniec tego procesu. Nowo utworzone pierwiastki są następnie wyrzucane w przestrzeń kosmiczną w wybuchach supernowych, przy czym najcięższe z nich powstają w ekstremalnym żarze samego wybuchu. Po rozproszeniu cięższe pierwiastki stają się składnikami nowych gwiazd i planet, i dlatego Ziemia jest bogata na przykład w azot, tlen, węgiel, żelazo lub nikiel, a nie tylko w pierwiastki najlżejsze – takie jak wodór i hel.

Co znaczące, zarówno drużyna Gamowa, jak i zespół Hoyle’a po części miały rację. Większość helu we Wszechświecie, jak przewidywali Gamow, Alpher i Herman, powstała podczas Wielkiego Wybuchu; teoria gwiezdnej nukleosyntezy Hoyle’a nie mogła wytłumaczyć obserwowanych dużych ilości tego pierwiastka. Z drugiej strony grupa Gamowa nigdy nie potrafiła wyjaśnić, w jaki sposób pierwiastki cięższe niż hel mogły uformować się w Wielkim Wybuchu. Głównym problemem badaczy w skonstruowaniu takiej drabiny rozwoju była niestabilność najważniejszego szczebla: berylu-8, izotopu z czterema protonami i czterema neutronami, którego czas istnienia wynosi zaledwie jedną stumiliardową nanosekundy, zanim rozpadnie się na dwa jądra helu-4. Bez tego krytycznego punktu oparcia naukowcy nie mogli wspiąć się po drabinie – dotrzeć do węgla i pierwiastków od niego cięższych.

To błyskotliwość i upór Hoyle’a pomogły obejść problem brakującego szczebla i znaleźć rozwiązanie – nie w Wielkim Wybuchu, ale w skrajnie gorących, zapadających się jądrach umierających gwiazd. Do tego wniosku doprowadziło go przekonanie, że procesy astrofizyczne po prostu muszą wyjaśnić, w jaki sposób powstał tak fundamentalny pierwiastek jak węgiel. Astrofizyk z Uniwersytetu Stanforda, Robert V. Wagoner, który współpracował z Hoyle’em, powiedział: „Hoyle poszerzył nasze spojrzenie na prawdopodobnie istotne procesy fizyczne, które mogą pomóc nam zrozumieć różne aspekty naszego Wszechświata. Zmotywował wielu teoretyków do «myślenia nieszablonowego»”[5].

Hoyle dowiedział się o potrójnym procesie alfa (3-α), zaproponowanym przez Edwina Salpetera w 1952 roku, który umożliwiał berylowi-8 łączenie się z jądrem helu-4 w ostatnim ułamku nanosekundy przed jego rozpadem. Wynikiem tej fuzji był węgiel-12. Salpeter spekulował, że proces może zachodzić w temperaturach wyższych niż 100 milionów stopni Kelvina[1*], podczas losowych zderzeń atomów. Nie wyjaśnił jednak, w jaki inny, wiarygodny sposób, poza przypadkowymi kolizjami, mogło dochodzić do tworzenia się stabilnych jąder węgla-12.

I tu do gry wchodzi niezwykła wnikliwość Hoyle’a. W fizyce jądrowej, którą rządzą prawa kwantowe, pewne rodzaje przekształceń są bardziej, a inne mniej prawdopodobne lub nawet niemożliwe. Hoyle, zacząwszy od cięższego pierwiastka, podążył wstecz. Przewidział, że węgiel-12 musi posiadać nieznany dotąd poziom energetyczny równy energii berylu-8 i helu-4 razem wziętych. To znacznie uprościło ideę przekształcenia tych dwóch pierwiastków w jeden cięższy.

Przypomina to budowanie pomostu wysoko nad ziemią, między dwoma drapaczami chmur – najprościej jest wtedy, gdy każdy z budynków znajduje się dokładnie na tej samej wysokości. Tak więc, gdy zobaczysz kładkę dla pieszych łączącą budynki, w których nigdy nie byłeś, możesz podejrzewać, że znajdują się w nich piętra o tej samej wysokości, przynajmniej w przybliżeniu. Ewentualnie, nawet jeśli nie widziałeś pomostu, ale zaobserwujesz, że ktoś wchodzi do holu pierwszego budynku i jakiś czas później wychodzi z holu drugiego, możesz podejrzewać, że budynki mają wspólny poziom pozwalający na ich połączenie. Podobnie Hoyle wywnioskował, że węgiel-12 musi posiadać niewykryty aż do tamtej chwili poziom energetyczny, pozwalający na szybkie przekształcenie berylu-8 połączonego z helem-4. Izotopy te potrzebują takiego „pomostu” – pomyślał – aby można było wyjaśnić ich metamorfozę z jednego stanu w drugi.

Piec, który pozwalał na takie przekształcenia – jak przypuszczał Hoyle – był skurczonym jądrem spuchniętej gwiazdy zwanej czerwonym olbrzymem. Gdy masywna gwiazda wyczerpie swoje paliwo wodorowe, jej jądro nie wytwarza już wystarczającej ilości promieniowania, aby przeciwstawić się ciśnieniu grawitacyjnemu swojej masy, i zaczyna się zapadać. Fale uderzeniowe kolapsu powodują, że zewnętrzna otoczka gwiazdy rozszerza się, tworząc gwiazdę o znacznie większej objętości – czerwonego olbrzyma. Zapadnięcie się jądra sprawia, że nagrzewa się on powyżej temperatury 100 milionów stopni, którą sugerował Salpeter, zapewniającej warunki do powstania cięższych pierwiastków, takich jak węgiel-12, w wyniku fuzji pierwiastków lżejszych.

Hoyle spędził sporo czasu w Laboratorium Promieniowania W.K. Kellogga, związanym z uczelnią Caltech, najpierw we współpracy z Fowlerem, a później również z obojgiem Burbidge’ów, próbując znaleźć odpowiedni rezonans węgla-12 (warunki, w których poziom energetyczny odpowiada poziomowi wymaganemu do powstania węgla-12) i opracować szczegółowy model powstawania cięższych pierwiastków w jądrach gwiazd lub żarze wybuchów supernowych, a następnie wyrzucania ich w przestrzeń kosmiczną. Wspomniana czwórka badaczy opublikowała swój szczegółowy model w 1957 roku w przełomowym artykule pod tytułem Synthesis of the Elements in Stars (Synteza pierwiastków w gwiazdach).

Jak zauważa astrofizyczka Virginia Trimble: „Artykuł miał tak wielki wpływ, że od pokoleń astrofizycy nazywają go w skrócie B^2FH, żartując, że warunki panujące we wczesnym Wszechświecie wytworzył wodór i hel, ale Burbidge, Burbidge, Fowler i Hoyle stworzyli całą resztę”[6].

Ze względu na ich wkład w dwa różne schematy wyjaśniające tworzenie się pierwiastków – pierwotną nukleosyntezę w przypadku lżejszych i gwiezdną nukleosyntezę dla pozostałych pierwiastków – prawdopodobnie wszyscy zaangażowani, w tym Gamow i Hoyle, ale także Alpher, Herman, Burbidge’owie i Fowler, kwalifikowali się do otrzymania Nagrody Nobla. Fakt, że jedynym, który ją otrzymał, był Fowler, od zawsze budził kontrowersje. Czynnikiem komplikującym sprawę było to, że Nagrodę Nobla z fizyki można przyznać jednocześnie tylko trzem osobom. Nie pomogło również to, że niektóre z przewidywań Gamowa, Alphera i Hermana zostały początkowo przeoczone – w momencie, gdy odkryto kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła (CMBR), które posłużyło do weryfikacji teorii Wielkiego Wybuchu. Nacisk położono wtedy na obliczenia fizyków z Princeton. W związku z tym zajęło trochę czasu, zanim przyznano odpowiednie zasługi wszystkim zaangażowanym, czyniąc tę historię pełną niuansów. Niektórym konfliktom i kontrowersjom przyjrzymy się na kolejnych stronach.

Niniejsza książka to wyjątkowa wspólna biografia naukowa, ponieważ jej główni bohaterowie, Gamow i Hoyle, nie mieli ze sobą zbyt często kontaktu. Ich najbardziej godne uwagi spotkanie twarzą w twarz miało miejsce latem 1956 roku, kiedy Gamow pracował jako konsultant dla firmy z sektora obrony, General Dynamics w La Jolla w Kalifornii, i zaprosił Hoyle’a do siebie. Przemierzając słoneczne ulice nadmorskiej enklawy cadillakiem Gamowa, prowadzili ożywioną dyskusję na temat temperatury przestrzeni kosmicznej. Ich dyskusja w pewnym sensie antycypowała odkrycie przez Penziasa i Wilsona kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła. Ogólnie rzecz biorąc, ci dwaj naukowcy w dużej mierze obracali się w różnych kręgach. Czasami separacja była zamierzona. Przynajmniej w jednym przypadku – gdy podczas Kongresu Solvaya w Belgii w 1958 roku pojawiła się szansa na debatę naukową, Gamow zorientował się, że został z niej wykluczony z powodu sprzeciwu wobec idei Hoyle’a. I niestety z powodu złego stanu zdrowia Gamow zmarł znacznie wcześniej niż Hoyle.

Jednak przez pewien czas ich drogi życiowe krzyżowały się na wielu płaszczyznach. Stykali się w ówczesnych mediach, co było stosowne, ponieważ obaj kochali hollywoodzkie filmy, literaturę spekulatywną i dramaty. Spotykali się na łamach licznych relacji z bitwy o ustalenie właściwości Wszechświata, w tym w specjalnym wydaniu „Scientific American” zatytułowanym „The Universe” (Wszechświat), opublikowanym we wrześniu 1956 roku, w którym artykuły The Evolutionary Universe (Wszechświat ewolucyjny) autorstwa Gamowa i The Steady-State Universe (Wszechświat stacjonarny) Hoyle’a ukazały się jeden po drugim. Ich rywalizujące modele powstawania pierwiastków okazały się wzajemnie uzupełniać, jak yin i yang. Co więcej, popularne książki i artykuły, których byli autorami, konkurowały o uwagę wszystkich umysłów chętnych do poznawania nauki w przystępny sposób.

Żartobliwa anegdota z tamtego okresu pokazuje, jak silnie byli oni ze sobą związani w oczach opinii publicznej. Pewnego razu, podczas konferencji naukowej, Gamow siedział w hotelowym barze i popijał drinka. Postanowiwszy zrobić mu kawał, inny naukowiec przekupił kelnerkę, która podeszła do jego stolika i powiedziała: „Telefon do pana, profesorze Hoyle”. Gamowowi nie drgnęła nawet powieka. Odpowiedział: „Nie rzucajcie Hoyle’a na wzburzone wody, bo w końcu przehoyluje!”[7].

W 1959 roku, w kulminacyjnym momencie debaty o Wielkim Wybuchu i stanie stacjonarnym, naukowiec i krytyk C.P. Snow, w swoim znamiennym wykładzie Rede Lecture (jest to coroczny cykl wykładów organizowany w Cambridge, niedaleko miejsca, w którym wówczas pracował Hoyle), mówił o wielkiej przepaści między „dwiema kulturami” – pomiędzy sferą nauki i światem literackim.

„Wierzę, że podział życia intelektualnego całego społeczeństwa zachodniego na dwie krańcowo różne grupy coraz bardziej się powiększa [...] na jednym biegunie mamy intelektualistów literackich [...] na drugim – naukowców” – argumentował Snow. „Zasypywanie przepaści między naszymi kulturami jest koniecznością, zarówno w najbardziej abstrakcyjnym sensie intelektualnym, jak i tym praktycznym. Kiedy te dwa sposoby rozumowania przestaną współpracować, żadne społeczeństwo nie będzie w stanie myśleć mądrze”[8].

Hoyle, który dwadzieścia trzy lata później wygłosił wykład z cyklu Rede Lecture z kosmologii, zaprzeczał, że wszyscy intelektualiści należą tylko do jednej z dwóch kultur Snowa. Przez całe życie zawzięcie przekonywał, że naukowcy powinni być piśmienni, a swoją tezę udowadniał, pisząc i współtworząc wiele cenionych książek science fiction, które łączyły dające do myślenia idee naukowe z intrygującymi problemami społecznymi. Na przykład jego powieść The Black Cloud (Czarna Chmura) i scenariusz telewizyjny (adaptowany na powieść) A for Andromeda (A jak Andromeda) oferowały dwie odmienne fikcyjne refleksje na temat tego, jak może wyglądać życie pozaziemskie. Ponadto Hoyle często zapuszczał się w świat sztuki, na przykład pisząc libretto opery i oratorium z kompozytorem Leo Smitem.

Gamow nie był skłonny do zabierania głosu w sprawach politycznych czy społecznych, i nie wzywał naukowców do pracy nad osiągnięciem wyższego poziomu piśmienności. Niemniej sam był wspaniałym przykładem fizyka obeznanego z kulturą. Jego liczne popularne książki i artykuły (Snow, który później był redaktorem magazynu „Discovery”, pomógł mu w rozwoju kariery pisarza) zawierały zmyślne skecze oraz gry słowne. W książce o historii fizyki kwantowej zamieścił angielskie tłumaczenie wystawionej w Kopenhadze parodii Fausta, by subtelnie wyśmiać naukowców seniorów z Instytutu Fizyki Teoretycznej Nielsa Bohra. Książkę tę zilustrował własnymi zabawnymi karykaturami. Nawet w artykułach naukowych wtykał pełne erudycji dowcipy, na przykład twierdząc żartobliwie, że Bethe in absentia jest trzecim autorem jednego z jego kluczowych artykułów, które napisał wraz z Alpherem, tylko po to, by można było odczytać autorów jako „Alpher, Bethe i Gamow”, co brzmi jak „alfa, beta i gamma”, pierwsze trzy litery greckiego alfabetu.

Gdyby podczas ery szaleństwa na punkcie UFO w latach pięćdziesiątych pozaziemska rasa chciała przetrząsnąć Ziemię w poszukiwaniu najznakomitszych ludzi renesansu, osób biegłych w nauce i sztuce, z błyskotliwymi umysłami i instynktem w temacie działania Wszechświata, nie mogłaby wybrać nikogo lepszego niż Gamow i Hoyle. Ci dwaj myśliciele wydawali się rzeczywiście nie z tego świata, każdy o niezwykłym intelekcie i prężnej wyobraźni, dzięki której wznosili się do gwiazd, i jeszcze dalej.

Jednak kierowanie się instynktem ma swoją cenę. Impulsywne zachowanie prawdopodobnie marginalizowało zarówno Gamowa, jak i Hoyle’a w późniejszych latach ich życia, każdego na inny sposób. Gamow często wysuwał pomysły, ale za nimi nie podążał. Zostawiał raczej pracę innym, a sam po prostu szedł dalej. Nieskrępowany sposób bycia i częste drwiny czasami przytłaczały jego kolegów, którzy być może traktowali go mniej poważnie podczas dyskusji naukowych, niż na to zasługiwał. Niski poziom samokontroli przejawiał się w paleniu jednego papierosa za drugim i nadmiernym piciu, co odbijało się na jego zdrowiu i negatywnie wpływało na wizerunek (zwłaszcza nadużywanie alkoholu). Ci, którzy cenili jego ogromny wkład w naukę, martwili się, że będzie postrzegany jako zapijaczony błazen, a nie geniusz, którym był.

Hoyle, z drugiej strony, prowadził zdrowy tryb życia, ale czasami dokonywał innych złych wyborów. Ostatnie dekady życia zajmowały mu projekty, które znajdowały się na obrzeżach konwencjonalnej nauki. Bez przedstawienia dowodów twierdził, że życie zostało sprowadzone na Ziemię przez ciała niebieskie takie jak komety, i że słynna skamielina z londyńskiego Muzeum Historii Naturalnej jest sfabrykowana. Wstrząśnięty rozgrywkami politycznymi na Uniwersytecie w Cambridge niespodziewanie zrezygnował ze stanowiska akademickiego zaledwie kilka lat przed emeryturą, i przeniósł się z żoną do Lake District w odległej części Anglii, co odizolowało go od innych naukowców. Wreszcie, jego wielokrotne odrzucenie wszelkich dowodów na to, że obserwowalny Wszechświat był kiedyś gorący i zwarty, i jednoczesne wymyślanie naciąganych alternatywnych wyjaśnień budziło zdziwienie i nie pozwalało, by społeczność akademicka traktowała go poważnie, pomimo jego wcześniejszych, kluczowych dla nauki zasług.

Reputacja zarówno Gamowa, jak i Hoyle’a jako wybitnych popularyzatorów nauki, którzy bujali w obłokach, z pewnością wzbudzała podejrzenia w oczach poważnych naukowców. Jak zauważył Snow, niektórzy badacze nie byli zainteresowani zasypywaniem przepaści między „dwiema kulturami” i lekceważyli tych, którzy podejmowali takie próby. Popularne relacje Gamowa bywały niepoważne, a twórczość science fiction Hoyle’a dość osobliwa, co sprawiało, że ich prace bawiły czytelników, ale budziły konsternację w niektórych twardo stąpających po ziemi badaczach. Będących pasjonatami kreatywności, Gamowa i Hoyle’a nie obchodziło, co myślą tradycjonaliści. Przemawiali do szerszej publiczności i w imię wyższej idei: poszukiwania i rozpowszechniania prawdy.

Istotnie, Gamow i Hoyle byli żądnymi przygód samotnikami, których znacznie bardziej interesowały tajemnice Kosmosu niż społeczne konwenanse. Obaj nienawidzili biurokracji, którą postrzegali jako zabijającą kreatywność. Od wczesnej młodości aż do końca każdy z nich podążał własną ścieżką przez terytorium naukowych odkryć, nawet wtedy, gdy społeczność naukowa wyrzuciła ich poza nawias. Osamotnieni i nieugięci szukali prawdy i powodów do radości na własnych warunkach, i nigdy nie wyrazili chęci, by podążać za stadem.

Zapraszamy do zakupu pełnej wersji książki

Przypisy

Wprowadzenie. W poszukiwaniu genezy

[1] E.J. Hoyle Butler, w rozmowie z autorem, 5 września 2019.

[2] F. Hoyle, Continuous Creation, „The Listener” 1949, nr 41, s. 568.

[3] G. Hoyle, w rozmowie z autorem, 30 września 2019.

[4] Ralph Alpher and Robert Herman – Session II, wywiad przepr. przez M. Harwita 12 sierpnia 1983, American Institute of Physics, Niels Bohr Library and Archives, Oral Histories, https://www.aip.org/history-programs/niels-bohr-library/oral-histories/3014-2.

[5] R.V. Wagoner, w rozmowie z autorem, 1 listopada 2019.

[6] V. Trimble, Obituary, E. Margaret Burbidge (1919–2020), „Nature” 2020, https://www.nature.com/articles/d41586-020-01224-9.

[7] J. Bernstein, Nuclear Weapons: What You Need to Know, Nowy Jork 2008, s. 193.

[8] C.P. Snow, The Two Cultures, wykład z cyklu Rede Lecture, Cambridge, 7 maja 1959.

[1*] Obecnie słowa „stopień” nie używa się w odniesieniu do tej jednostki temperatury. Autor posługuje się terminem, który obowiązywał w trakcie trwania wielkiej debaty kosmologicznej. W 1967 roku Komitet XIII Generalnej Konferencji Miar (CGPM) zadecydował, że tę jednostkę temperatury termodynamicznej należy oznaczać słowem „kelwin”, a jej symbolem będzie „K” – przyp. tłum.