L’univers en expansió

Entre els anys 1930 i 1960 molts astrofísics van explorar la teoria cosmològica de l’univers en expansió, el que es va conèixer com “la gran explosió” o Big Bang. Ens centrarem en dos personatges que van tenir un especial relleu en aquest període, George Gamow i Fred Hoyle, que van defensar dues idees contraposades: un univers en expansió partint d’un primer instant inicial amb tota la matèria i energia concentrades en un punt, que defensava Gamow, o un univers estacionari, en el que es reconeixia l’expansió de les galàxies, ja que era un fet experimental, però que no havia tingut un principi, sinó que es mantenia sempre amb la mateixa aparença. A part de defensar models d’univers ben diferents, aquests dos personatges, van fer grans contribucions a la cosmologia, i això serà el que intentarem explicar avui.

George Gamow, (1904, Odessa, actual Ucraïna, 1968, Boulder, Colorado, USA) va estudiar a la universitat d’Odessa i després a la de Leningrad, on va tenir com a professor a Alexander Friedmann, el primer en aplicar les equacions d’Einstein de la Relativitat a la cosmologia. Després de fer el seu doctorat va treballar entre 1928 i 1931 a l’Institut de Física Teòrica de la universitat de Copenhage i amb Ernest Rutherford al Cavendish Laboratory de Cambridge.

George Gamow. Imatge de Wikimedia Commons.

El 1931 va ser elegit membre de l’Acadèmia de Ciències de la URSS i fins a 1933 va treballar en desintegració radiactiva (alfa) a l’Institut del Radi de Leningrad. A partir d’aquest any va intentar marxar de l’aleshores Unió Soviètica. Com li van denegar permís per anar a conferències científiques a l’estranger, va intentar marxar en dos ocasions amb kayak: en un primer intent per el Mar Negre fins a Turquia i en un segon intent, des de Murmansk a Noruega, però el mal temps li ho va impedir en ambdues ocasions. El 1933 va ser nomenat per anar com a representant de la Unió Soviètica a la 7a Conferència Solvay de física teòrica a Brussel·les i aquesta va ser la gran oportunitat de fugir. Entrevistant-se amb Molotov, mà dreta de Stalin, va obtenir permís per que l’acompanyés la seva dona i, un cop acabada la conferència, ajudat per altres físics, com Marie Curie, es va quedar a Europa treballant a l’Institut Curie i a les universitats de Londres i Michigan. El 1934 va marxar als Estats Units a la universitat George Washington, per a treballar amb Edward Teller en desintegració radiactiva (beta), com a continuació dels seus treballs anteriors. (2) (3)

El 1948, juntament amb el seu estudiant de doctorat Ralph Alpher va publicar un article titolat “L’origen dels elements químics” en el que proposava el mecanisme de formació dels nuclis atòmics, a partir dels neutrons, començant per l’heli i seguint per altres nuclis d’elements lleugers. Seguint el model cosmològic de Friedmann, el seu treball mostrava com, en els primers minuts de l’univers resultava un 75% d’hidrogen, un 25% d’heli i traces dels elements lleugers. Es curiós que aquest article va anar signat també per Hans Bethe, de la universitat de Cornell, a Nova York. Es diu que Gamow va posar el seu nom sense que Bethe ho sabés, només perquè les inicials dels tres autors començaven per a, b i g, tal com comença l’alfabet grec (alfa, beta, gamma) (4) (5). Hans Bethe el 1967 va ser guardonat amb el Premi Nobel de física, per la seva contribució a la producció d’energia a les estrelles. D’altra banda, va ser el cap de la divisió teòrica del projecte Manhattan, per desenvolupar la bomba atòmica i va participar també en el desenvolupament de la bomba d’hidrogen.

Una altre fet interessant és que, seguint la seva línia cosmològica, el grup de Gamow, entre 1940 i 1950, relacionant la quantitat de partícules nuclears amb la quantitat de fotons, ja va predir que hauria d’haver actualment un fons de radiació, romanent de l’univers primitiu, equivalent a una temperatura de 5 K. Els càlculs no eren del tot correctes però la idea de l’existència del fons de radiació si. Quan es va trobar aquesta radiació romanent de microones el 1964, el valor trobat va ser de 2,7 K, però a aquest descobriment ens referirem en properes xerrades. El fet remarcable és que la predicció del grup de Gamow va passar pràcticament desapercebuda, o almenys ningú es va posar a buscar la radiació romanent ni va continuar aquesta línia d’investigació fins a avançats els anys 1960. (1)

Gamow es va dedicar a altres camps amb un paper també rellevant. En el descobriment de l’estructura i funció de l’ADN a les cèl·lules, les seves idees sobre com quatre bases de la cadena d’ADN poden controlar la síntesi de proteïnes a partir dels aminoàcids, van ajudar a Watson i Crick, descobridors de l’estructura de l’ADN. Gamow va suggerir que les 20 combinacions possibles de les famoses quatre bases (adenina, citosina, timina i guanina) agafades de tres en tres correspondrien, a 20 aminoàcids responsables de la síntesi de proteïnes, idea que va portar a Watson i Crick a trobar els 20 aminoàcids comuns a la majoria de les proteïnes i estudiar als processos de síntesi.

Des de 1956 Gamow va ser professor de la universitat de Colorado a Boulder i es va dedicar a escriure llibres de divulgació científica, fins que va morir el 1968. El seu amic Edward Teller el va descriure dient: “Gamow va tenir fantàstiques idees, algunes correctes i altres equivocades. Sovint més equivocades que correctes, però sempre interessants. Però quan una idea era correcta, no era només correcta, era nova”. Aquest era el nostre personatge.

L’altre personatge d’avui és Fred Hoyle. Fins ara hem estat parlant de l’expansió de l’univers, però evitant utilitzar el nom Big Bang. Aquest nom va ser donat per George Gamow per descriure el model d’univers de Lemaître, però no li agradava massa com a títol del model. El 1949 Fred Hoyle, va donar una xerrada de 20 min a la ràdio, la BBC de Londres, sobre la nova teoria cosmològica proposada per Lemaître i Gamov. Com que no li agradava la idea, ja que ell creia en un univers estàtic en el que la matèria es crea lenta i constantment, durant la xerrada va repetir el nom “big bang” tres vegades amb un cert to despectiu. El cas és que, degut a la seva pròpia popularitat i a l’audiència del programa, va contribuir a popularitzar el nom, encara que involuntàriament. (6) (7)

Però qui era Fred Hoyle? Astrònom anglès nascut a Gilstead, West Yoskshire el 1915 i mort a Bournemouth el 2001, va treballar a l’Institut d’Astronomia de Cambridge, del que va ser director. A més a més d’un creatiu científic va ser escriptor de ciència ficció, obres de teatre, televisió i fins i tot  una òpera. (8)

Hoyle va rebutjar la idea d’un univers format a partir d’un punt inicial que es va expansionar i es va afegir a la teoria de l’univers estacionari. Pensava que la idea de que l’univers havia tingut un principi recordava massa la idea de la creació i no li semblava una teoria defensable científicament. Per contra, la seva teoria era la d’un univers etern i que pràcticament presentava sempre el mateix aspecte. La matèria s’anava generant a l’espai intergalàctic, mentre les galàxies s’anaven allunyant unes de les altres. Era com la imatge d’un riu en el que les gotes d’aigua van passant però es manté sempre igual.

Imatge de la revista on Fred Hoyle i altres van publicar la “Síntesi dels elements a les estrelles”. Enllaç a l’article

Un dels seus treballs més importants va ser fet en els anys 1950 amb el grup que ell liderava i estava  format per la parella Geoffrey i Margaret Burbidge, William Fowler i ell mateix. En aquest treball, publicat el 1957, van descriure la síntesi dels nuclis dels elements a l’interior de les estrelles a partir d’hidrogen i heli, mitjançant reaccions nuclears. Van explicar com es generen els nuclis de carboni, nitrogen, oxigen, neó, sodi, magnesi, ferro i altres, fins i tot els elements radioactius naturals. Una prova experimental directa va ser la detecció del tecneci a les estrelles. El tecneci és un element radioactiu natural de vida mitjana molt menor que la vida de les estrelles i ja que va ser detectat en una estrella, forçosament havia d’haver-se generat dins la mateixa. (9)

William Fowler va aconseguir el premi Nobel de 1983, pels seus estudis teòrics i pràctics sobre les reaccions nuclears de formació dels elements químics a l’univers, però curiosament, l’original contribució de Hoyle no va ser premiada. El mateix Fowler reconeixia com Hoyle va ser el primer en establir el concepte de nucleosíntesi a les estrelles el 1946. (10)

Fins aquí aquests dos personatges que, malgrat les seves grans contribucions a la ciència, mai van ser guardonats amb el Nobel, com si ho van ser alguns dels seus ajudants. Bona nit.

Fonts d’informació utilitzades:

(1) Steven Weinberg. Los tres primeros minutos del universo. Alianza Universidad. 1988. cap. 6.
(2) http://departments.columbian.gwu.edu/physics/gamow
(3) http://en.wikipedia.org/wiki/George_Gamow
(4) R. A. Alpher, H. Bethe, G. Gamow, “The Origin of Chemical Elements”. Physical Review, April 1, 1948
(5) http://unavistacircular.files.wordpress.com/2012/12/ms_claserel_prescosmologia.pdf
(6) http://esmateria.com/2013/01/13/big-bang-un-nombre-rechazado-que-termino-triunfando/
(7) http://physicsworld.com/cws/article/news/2001/aug/22/sir-fred-hoyle-1915-to-2001
(8) Pàgina oficial de Hoyle Productions Ltd.
(9) Reviews of Modern Physics, October 1957. Synthesis of the Elements in Stars.
(10) http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1983/fowler-autobio.html

Audio de la xerrada.

Emissió de Ràdio Banyoles, dins del programa d’Astrobanyoles
“Sopa d’estrelles· del 2 de maig de 2013.

Aquesta entrada ha esta publicada en cosmologia, premis nobel. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.

Deixa un comentari