Ральф Альфер: Космолог және Ғылыми Еңбектерінің Шолуы

Кіріспе

Американдық космолог (1921–2007)

Ральф Ашер Альфер (3 ақпан 1921 – 12 тамыз 2007) – американдық космолог, ол 1950 жылдардың басында Ұлы жарылыс моделі бойынша маңызды жұмыстар жасады, оның ішінде Ұлы жарылыс нуклеосинтезі және ғарыштық микротолқынды фондық сәулеленуді болжау.

Балалық шағы мен білімі

Альфер Самуил Альфердің (Альфиревич) ұлы еді, ол Ресей империясының Витебск қаласынан көшіп келген еврей иммигранттың баласы болатын. Оның анасы Роза Мэйлсон 1938 жылы асқазан рагынан қайтыс болды, ал әкесі кейіннен қайтадан үйленді. Альфер 15 жасында Вашингтондағы Теодор Рузвельт орта мектебін бітірді және мектептің курсанттар бағдарламасында майор және командир шеніне ие болды. Ол екі жыл бойы мектеп театрында сахна менеджері болып жұмыс істеді, соның арқасында отбасының Ұлы Депрессия кезеңіндегі кірісін толықтырды. Ол сонымен қатар Грегг стенографиясын үйренді және 1937 жылы Америка Геофизикалық Одағының директорының стенографы болып жұмыс істеуге кірісті. 1940 жылы ол Карнеги қорының Жер бетіндегі магнетизм бөліміне жұмысқа қабылданды, онда ол екінші дүниежүзілік соғыс кезінде кемелерді демагнетизациялау әдістерін әзірлеу үшін АҚШ Әскери-теңіз күштерімен келісімшарт бойынша доктор Скотт Форбушпен бірге жұмыс істеді. Ол Mark 32 және Mark 45 детонаторларын, торпедаларды, теңіздік артиллерияны басқару жүйесін, магниттік әуедегі (суасты кемелерін анықтау) жүйелерді және басқа да құпия қару-жарақтарды (соның ішінде Манхэттен жобасын) жасауға үлес қосты. Соғыс аяқталғаннан кейін ол Әскери-теңіз қару-жарағын дамыту сыйлығымен марапатталды (10 желтоқсан 1945 ж. – Символмен бірге) және 1946 жылы тағы бір Әскери-теңіз қару-жарағын дамыту сыйлығын алды. Альфердің соғыс кезіндегі жұмысы қауіпсіздік шараларының арқасында жасырылған. 1944 жылдан 1955 жылға дейін ол Қолданбалы физика зертханасында (APL) жұмыс істеді. Күндіз ол баллистикалық зымырандарды, басқару жүйелерін, дыбыс жылдамдығынан асып түсетін құрылғыларды және осымен байланысты мәселелерді әзірлеумен айналысты. 1948 жылы ол физика ғылымдарының докторы болып саналатын «Нейтрон тұтқыны» деп аталатын нуклеосинтез теориясы бойынша диссертациясын қорғады, ал 1948 жылдан бастап APL-де доктор Роберт С. Германмен бірге ғарыштық микротолқынды сәулеленуді болжау бойынша жұмыс істеді. Ол Джордж Вашингтон университетінде физика бойынша бакалавр және жоғары білім алды, сонымен бірге Әскери-теңіз күштерімен келісімшарт бойынша физик ретінде жұмыс істеді, соңында Джонс Хопкинс университетінің APL-інде жұмыс істеді. Университетте ол орыс-украин физигі Джордж Гамовпен танысты, ол кейіннен оны докторлық студенті ретінде қабылдады. Гамов – бұрынғы кеңестік дезертир және GWU факультетіндегі көрнекті тұлғалардың бірі еді. Альфер Гамовтың теориялық жұмыстарын қолдау үшін қажетті математикалық біліктілікті ұсынды. Альфер «Элементтердің пайда болуы» тақырыбында докторлық диссертация жазды және докторлық дәрежесін алғаннан кейін көп ұзамай гипотетикалық сингулярлықтан шыққан «көне» сәулеленудің болуын алғаш рет болжады – ғарыштық микротолқынды сәулелену. Бұл Арно Аллан Пензиас пен Роберт Уилсонның Белл зертханасында мүйіз тәрізді радиотелескопты пайдалану арқылы байқау арқылы расталды. GWU-да оқып жүргенде Альфер Луиза Эллен Саймонспен танысты, ол түнгі мектепте психология мамандығы бойынша оқыды және күндізгі уақытта Мемлекеттік департаментте хатшы болып жұмыс істеді. Перл-Харборға шабуылдан кейін шамамен екі ай өткен соң Альфер мен Луиза үйленді. Осы уақытқа дейін ол Карнеги институты арқылы АҚШ Әскери-теңіз күштері үшін шамамен бір жарым жылға жуық құпия жұмыстар атқарған. 1944 жылдың басында ғылыми жұмысына үзіліс жасаған кезде ол Әскери-теңіз күштеріне офицерлік шен алуға өтініш берді, ол үшін ол лайықты еді. Осы уақытқа дейін ол тым көп құпия және жасырын жұмыстар атқарғандықтан, енді әскерге шақырылмайтын болды (шамамен 7000 басқа адаммен бірге) және әскерге жазылуына тыйым салынды. Сол жазда ол Джонс Хопкинс университетінің APL-іне қол қойды, ол тағы бір құпия жобада жұмыс істеді – жаңа магниттік әсерлі торпеда детонаторы. Бұл өте қажет болды, өйткені 1943 жылдың соңында Әскери-теңіз операцияларының бастығының бұйрығымен магниттік компоненті өшірілген нашар сынақтан өткен Mark 14 торпедасын ауыстыру қажет болды (В. С. Альфер, Суасты кемелері туралы шолу, 2009 жылғы қазан).

Alpher was the son of a Jewish immigrant, Samuel Alpher ( Alfirevich), from Vitebsk, Russian Empire. His mother, Rose Maleson, died of stomach cancer in 1938, and his father later remarried. Alpher graduated at age 15 from Theodore Roosevelt High School in Washington, D. C., and held the ranks of Major and Commander of his school's Cadet program. He worked in the high school theater as stage manager for two years, supplementing his family's Depression era income. He also learned Gregg shorthand, and in 1937 began working for the director of the American Geophysical Union as a stenographer. In 1940, he was hired by the Department of Terrestrial Magnetism of the Carnegie Foundation, where he worked with Dr. Scott Forbush under contract for the U. S. Navy to develop ship degaussing techniques during World War II. He contributed to the development of the Mark 32 and Mark 45 detonators, torpedoes, Naval gun control, Magnetic Airborne Detection (of submarines), and other top secret ordnance work (including the Manhattan Project), and he was recognized at the end of the War with the Naval Ordnance Development Award (December 10, 1945 — with Symbol), and another Naval Ordnance Development award in 1946. Alpher's war time work been somewhat obscured by security classification. From 1944 through 1955, he was employed at the Applied Physics Laboratory (APL). During the daytime he was involved in the development of ballistic missiles, guidance systems, supersonics, and related subjects. In 1948, he earned his Ph. D. in physics with a theory of nucleosynthesis called neutron capture, and from 1948 onward collaborated with Dr. Robert C. Herman, also at APL, on predictions of the cosmic microwave background radiation. He earned his bachelor's degree and advanced graduate degrees in physics from George Washington University, all the while working as a physicist on contract to the Navy, and eventually for the Johns Hopkins University APL. He met Russian Ukrainian physicist George Gamow at the University, who subsequently took him on as his doctoral student. Gamow was a prominent Soviet defector and one of the luminaries on the GWU faculty. Alpher provided much needed mathematical ability to support Gamow's theorizing. Alpher wrote his doctoral thesis on "The Origin of the Elements", and soon after obtaining his doctorate, made the first prediction of the existence of "fossil" radiation from a hypothetical singularity—the Cosmic Microwave Background Radiation. This was observationally confirmed by Arno Allan Penzias and Robert Wilson at Bell Labs using a horn radio telescope. While attending GWU, Alpher met Louise Ellen Simons, who was majoring in psychology at night school and working as a day secretary with the State Department. Nearly two months after the attack on Pearl Harbor, Alpher and Louise were married. At this time he had already done classified work for the U. S. Navy through the Carnegie Institution for nearly one and a half years. During a hiatus in his scientific work in early 1944, he did apply to the Navy for a commission, for which he was eligible. By this time he had done so much classified and secret work that he was no longer subject to the draft (along with about 7,000 others), and was prohibited from enlistment. That summer, he signed on to APL at Johns Hopkins University to work on another classified project — a new magnetic influence torpedo exploder. This was badly needed since the Mark 14 torpedo, which had a poorly tested exploder that had its magnetic component turned off by order of the Chief of Naval Operations in late 1943, was badly in need of replacement (V. S. Alpher, The Submarine Review, October 2009).

Үлкен жарылыс ядролық синтез теориясы

Алфердің 1948 жылғы диссертациясы "Ұлы жарылыс" ядролық синтез деп аталатын тақырыпқа қатысты. Нуклеосинтез – бұл Ұлы жарылыстан кейінгі сәттерде қарапайым элементтерден күрделі элементтердің қалай пайда болғанын түсіндіру. Ұлы жарылыстан кейін температура өте жоғары болған кезде, егер нейтрондар мен протондар сияқты ядролық бөлшектер бірігіп (тартылыс күшімен ұсталған жағдайда) олар бірден жоғары тығыздықта болатын жоғары энергиялы фотондармен (жарық кванттары) бөлініп кетеді. Басқаша айтқанда, осы өте жоғары температурада фотондардың кинетикалық энергиясы күшті ядролық күштің байланысу энергиясын басып тастайды. Мысалы, егер протон мен нейтрон бірігіп (деутерийді пайда етіп) байланысса, онда ол бірден жоғары энергиялы фотонмен бөлініп кетеді. Алайда уақыт өткен сайын ғалам кеңейіп, суынып, фотондардың орташа энергиясы азайды. Біраз уақыттан кейін, яғни Ұлы жарылыстан кейін бір секундтан кейін ядролық тартылыс күші төмен энергиялы фотондар мен нейтрондар мен протондарды жеңе бастайды. Ғалам кеңейіп, суынып жатқанда, қосымша ядролық бөлшектер осы жеңіл ядролармен байланысып, гелий сияқты ауыр элементтерді құрайды. Альфер Ұлы жарылыс сутегі, гелий және ауыр элементтерді дұрыс мөлшерде пайда етеді деп болжады, бұл олардың ерте ғаламдағы көптігін түсіндіреді. Альфер мен Гамовтың теориясы бастапқыда барлық атом ядролары бір мезгілде бір масса бірлігімен нейтрондарды біріне-бірі қосып алу арқылы пайда болады деп ұсынған. Алайда кейінгі зерттеулер бірінен соң бірі қосып алу теориясының жалпылығына күмән келтірді, өйткені ешқандай элементтің атомдық массасы бес немесе сегіз болатын тұрақты изотопы табылмады, бұл гелийден тыс элементтердің өндірісіне кедергі келтірді. Ақырында қазіргі ғаламда байқалатын ауыр элементтердің көпшілігі жұлдыздардағы жұлдыздық нуклеосинтездің нәтижесі екендігі танылды, бұл теорияны негізінен Ханс Бете, Уильям Фаулер және Субрахманян Чандрасехар әзірледі. Бете Альфердің диссертациясын қарастыратын комиссияға соңғы минутта қосылды. Альфердің диссертациясы жаңашылдық деп танылғандықтан, диссертацияны қорғауға 300-ден астам адам қатысты, соның ішінде баспасөз, және оның болжамы мен Герблоктың карикатурасы туралы мақалалар ірі газеттерде жарияланды. Бұл докторлық диссертация үшін өте сирек кездесетін жағдай. Сол жылы Роберт Германмен бірлесіп Альфер гипотезалық Ұлы жарылыстан пайда болған, космостық микротолқындық фондық сәулелену деп аталатын қалдық сәулелену температурасын болжады. Алайда Альфердің ғаламдық фондық сәулелену туралы болжамы, 1960 жылдардың басында Роберт Дикке мен Яков Зельдович оларды қайтадан ашқанға дейін аздап ұмытылған. Космикалық фондық сәулеленудің бар екендігі мен оның температурасын 1964 жылы Нью-Джерсидегі Белл зертханасында жұмыс істейтін екі физик Арно Пензиас пен Роберт Уилсон тәжірибе жүзінде өлшеді. Олар бұл жұмысы үшін 1978 жылы физика саласындағы Нобель сыйлығын алды. Альфердің тәуелсіз диссертациясының элементтері алғаш рет 1948 жылы 1 сәуірде Physical Review журналында үш автормен: Альфер, Ханс Бете және Гамовпен жарияланды. Оның есімі қағаздарда көрінсе де, Бете теорияның дамуына тікелей қатысы жоқ, бірақ кейіннен ол осыған байланысты тақырыптарда жұмыс істеді; Гамов авторлар тізімін жасау үшін өз есімін қосты Альфер, Бете, Гамов, грек әліпбиінің алғашқы үш әрпі альфа, бета, гамма (α, β, γ) бойынша ойын-сауық. Гамов "Соңырақ, альфа, бета, гамма теориясы уақытша қиын жағдайға түскен кезде, Бете өзінің атын Захарияға өзгерту туралы ойланды" деп әзілдеді. Роберт Герман туралы ол былай деп жазды: "Р. С. Герман өзінің атын Дельтер деп өзгерткісі келмейді". Альфер Гамовтың әзіл-сықағы теорияны әзірлеудегі өзінің маңызды рөлін жасырып қойған шығар деп уайымдады. 2005 жылғы Ұлттық ғылым медалімен Альфердің нуклеосинтез және ғаламдық микротолқындық фондық сәулеленуді болжау жөніндегі алғашқы жұмысы танылды. Альфер мен Роберт Германға 1993 жылы Ұлттық ғылым академиясы Генри Дрейпер медалі берілді. Сондай-ақ, олар 1975 жылы Америка философиялық қоғамының Магеллан сыйлығын, Бельгия ғылым академиясының Жорж Вандерлиден физика сыйлығын, сондай-ақ Нью-Йорк ғылым академиясының және Филадельфияның Франклин институтының маңызды наградаларын алды. Физика саласындағы екі Нобель сыйлығы 1978 жылы Арно Пензиас пен Роберт Уилсонға, ал 2006 жылы Джон Матэр мен Джордж Смутқа ғаламдық фондық сәулеленумен байланысты эмпирикалық жұмыстары үшін берілді. 2005 жылы Альферге Ұлттық ғылым медалі табысталды. Сыйлыққа қоса берілген мақтауда былай делінген: "Нуклеосинтез саласындағы беспрецеденттік жұмысы, ғаламның кеңеюінен кейін қалған фондық сәулеленуді болжауы және Ұлы жарылыс теориясының моделін ұсынғаны үшін". Медальді оның ұлы, доктор Виктор С. Альфер 2007 жылдың 27 шілдесінде президент Джордж У. Буш табыстады, өйткені оның әкесі сыйлықты алу үшін саяхаттауға мүмкіндігі болмады.

Alpher's dissertation in 1948 dealt with a subject that came to be known as Big Bang nucleosynthesis. Nucleosynthesis is the explanation of how more complex elements are created out of simple elements in the moments following the Big Bang. Right after the Big Bang, when the temperature was extremely high, if any nuclear particles, such as neutrons and protons, became bound together (being held together by the attractive nuclear force) they would be immediately broken apart by the high energy photons (quanta of light) present in high density. In other words, at this extremely high temperature, the photons' kinetic energy would overwhelm the binding energy of the strong nuclear force. For example, if a proton and a neutron became bound together (forming deuterium), it would be immediately broken apart by a high energy photon. However, as time progressed, the universe expanded and cooled and the average energy of the photons decreased. At some point, roughly one second after the Big Bang, the attractive force of nuclear attraction would begin to win out over the lower energy photons and neutrons and protons would begin to form stable deuterium nuclei. As the universe continued to expand and cool, additional nuclear particles would bind with these light nuclei, building up heavier elements such as helium, etc. Alpher argued that the Big Bang would create hydrogen, helium and heavier elements in the correct proportions to explain their abundance in the early universe. Alpher and Gamow's theory originally proposed that all atomic nuclei are produced by the successive capture of neutrons, one mass unit at a time. However, later studies challenged the universality of the successive capture theory, since no element was found to have a stable isotope with an atomic mass of five or eight, hindering the production of elements beyond helium. It was eventually recognized that most of the heavy elements observed in the present universe are the result of stellar nucleosynthesis in stars, a theory largely developed by Hans Bethe, William Fowler and Subrahmanyan Chandrasekhar. Bethe had been a last minute addition to Alpher's dissertation examining committee. Since Alpher's dissertation was perceived to be ground breaking, over 300 people attended the dissertation defense, including the press, and articles about his predictions and a Herblock cartoon appeared in major newspapers. This was quite unusual for a doctoral dissertation. Later the same year, collaborating with Robert Herman, Alpher predicted the temperature of the residual radiation known as cosmic microwave background radiation resulting from the hypothesized Big Bang. However, Alpher's predictions concerning the cosmic background radiation were more or less forgotten until they were rediscovered by Robert Dicke and Yakov Zel'dovich in the early 1960s. The existence of the cosmic background radiation and its temperature were measured experimentally in 1964 by two physicists working for Bell Laboratories in New Jersey, Arno Penzias and Robert Wilson, who were awarded the Nobel Prize in Physics for this work in 1978. Elements of Alpher's independent dissertation were first published on April 1, 1948 in the Physical Review with three authors: Alpher, Hans Bethe and Gamow. Although his name appears on the paper, Bethe had no direct part in the development of the theory, although he later worked on related topics; Gamow added his name to make the author list Alpher, Bethe, Gamow, a pun on alpha, beta, gamma (α, β, γ), the first three letters of the Greek alphabet. Gamow joked that "There was, however, a rumor that later, when the alpha, beta, gamma theory went temporarily on the rocks, Bethe seriously considered changing his name to Zacharias". When referring to Robert Herman he wrote: "R. C. Herman, who stubbornly refuses to change his name to Delter." Alpher worried that the humor engendered by Gamow may have obscured his own critical role in developing the theory. With the award of the 2005 National Medal of Science, Alpher's original work on nucleosynthesis and the cosmic microwave background radiation prediction was recognised. Alpher and Robert Herman were awarded the Henry Draper Medal from the National Academy of Sciences in 1993. They were also awarded the Magellanic Premium of the American Philosophical Society in 1975, the Georges Vanderlinden Physics prize of the Belgian Academy of Sciences, as well as significant awards of the New York Academy of Sciences and the Franklin Institute of Philadelphia. Two Nobel Prizes in physics have been awarded for empirical work related to the cosmic background radiation — in 1978 to Arno Penzias and Robert Wilson and in 2006 to John Mather and George Smoot. In 2005 Alpher was awarded the National Medal of Science. The citation for the award reads "For his unprecedented work in the areas of nucleosynthesis, for the prediction that universe expansion leaves behind background radiation, and for providing the model for the Big Bang theory." The medal was presented to his son, Dr. Victor S. Alpher, on July 27, 2007 by President George W. Bush, as his father could not travel to receive the award.

Кейінгі мансап

1955 жылы Альфер «General Electric» компаниясының Ғылыми-зерттеу және Даму орталығына жұмысқа өтті. Оның алғашқы жылдарындағы басты міндеті – ғарыштан көлік құралдарын қайта кіргізу мәселелерімен айналысу болды. 1955 жылы Альфер мен Герман Айова штатына орналасуға өтініш берді, онда ван Аллен кафедра меңгерушісі қызметін атқарып тұрды, бірақ академиялық еңбекақы индустриялық табыспен салыстырғанда тым төмен болды. Альфер Роберт Германмен де ынтымақтастығын жалғастырды, ол «General Motors Research Laboratory» зерттеу орталығына көшіп, космология мәселелерімен айналысып жатқан еді. Космикалық микротолқынды фондық сәулелену 1964 жылы расталды, алайда кейіннен көптеген астрономдар мен радиоастрономдар оны космологиялық маңызын түсінбей-ақ байқаған болуы мүмкін. 1987 жылдан 2004 жылға дейін ол Нью-Йорк штатының Шенеқтади қаласындағы Юнион колледжінде физика және астрономияның еңбегі сіңген профессоры болып қызмет етті, осы кезеңде зерттеу және оқыту саласына қайта оралды. Осы уақыт ішінде ол маңызды ғылыми мақалалар жариялауды жалғастырды және қоғамдық телерадио хабарларын таратуға белсенді қатысты. Альфер сонымен қатар (1987–2004) Дадли обсерваториясының директоры болды. 1986 жылы Джордж Вашингтон университетінің «Ең үздік түлек» сыйлығымен марапатталды. Ол барлық академиялық дәрежелерін жұмыс істеп жүріп, түнде оқып бітірді, күндіз Әскери-теңіз күштерінде және Джонс Хопкинс АПЛ-де қызмет еткен. 2004 жылы Юнион колледжінің құрметті профессоры болып тағайындалды және Дадли обсерваториясының құрметті директоры атанды. Ол сондай-ақ Юнион колледжі мен Ренсселер политехникалық институтынан ғылым докторы атағын алды. 2005 жылдан өмірінің соңына дейін ол Дадли обсерваториясының құрметті директоры және Юнион колледжінің физика және астрономия еңбегі сіңген профессоры болып қалды.

Ғылымға көзқарас

Альфер Джозеф Д'Агнезеге Discover Magazine журналына берген сұхбатында: "Ғылыммен айналысудың екі себебі бар. Бірі – адамзаттың әлем туралы біліміне үлес қосуға болатындықтан туындайтын игі ниетті сезім. Екіншісі, жеке басыңызға тиесілі нәрсе – әріптестеріңіздің құрметін алуға ұмтылу. Қалай болса солай қарапайым ғана."

Жеке өмірі мен көзқарасы

Яһуди отбасын тәрбиелегеніне қарамастан, Альпер өзін агностик және гуманист санады.

Отбасы

Ол әйелі Луизамен екі баласы және екі немересі болған.

Өлім

2007 жылдың 12 тамызында Альфер ұзаққа созылған аурудан кейін қайтыс болды. 2007 жылдың ақпан айында құлап, жамбасын сындырғаннан бастап денсаулығы нашарлаған болатын.