Происхождение химических элементов: теория Альфера-Бете-Гамова
Alpher–Bethe–Gamow paper
Происхождение химических элементов: теория Большого Взрыва и нуклеосинтез. Статья Альфера-Бете-Гамова (1948) объясняет пропорции водорода, гелия и тяжелых элементов.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Научная теория происхождения химических элементов
Scientific theory of the origin of chemical elements
В физической космологии работа Альфера — Бете — Гамова, или статья αβγ, была создана Ральфом Альфером, тогдашним аспирантом по физике, его научным руководителем Джорджем Гамовым и Гансом Бете. Эта работа, ставшая темой докторской диссертации Альфера, утверждала, что Большой взрыв должен был создать водород, гелий и более тяжелые элементы в тех пропорциях, которые объясняют их распространенность в ранней Вселенной. Хотя первоначальная теория не учитывала ряд процессов, важных для формирования тяжелых элементов, последующие исследования показали, что первичный нуклеосинтез согласуется с наблюдаемыми ограничениями для всех первородных элементов. Официально озаглавленная "Происхождение химических элементов", она была опубликована в апрельском выпуске журнала Physical Review за 1948 год.
In physical cosmology, the Alpher–Bethe–Gamow paper, or αβγ paper, was created by Ralph Alpher, then a physics PhD student, his advisor George Gamow, and Hans Bethe. The work, which would become the subject of Alpher's PhD dissertation, argued that the Big Bang would create hydrogen, helium and heavier elements in the correct proportions to explain their abundance in the early universe. While the original theory neglected a number of processes important to the formation of heavy elements, subsequent developments showed that Big Bang nucleosynthesis is consistent with the observed constraints on all primordial elements. Formally titled "The Origin of Chemical Elements", it was published in the April 1948 issue of Physical Review.
Имя Бет
Гамов с юмором решил добавить имя своего друга – выдающегося физика Ганса Бете – к этой статье, чтобы создать причудливый список авторов «Альфер, Бете, Гамов», пародирующий греческие буквы α, β и γ (альфа, бета, гамма). В статье Бетэ указан как «H. Bethe, Cornell University, Ithaca, New York». В своей книге 1952 года «Создание Вселенной» Гамов объяснил участие Ганса Бете в этой теории так:
Gamow humorously decided to add the name of his friend—the eminent physicist Hans Bethe—to this paper in order to create the whimsical author list of Alpher, Bethe, Gamow, a play on the Greek letters α, β, and γ (alpha, beta, gamma). Bethe was listed in the article as "H. Bethe, Cornell University, Ithaca, New York". In his 1952 book The Creation of the Universe, Gamow explained Hans Bethe's association with the theory thus:
После этого Бете действительно занимался нуклеосинтезом Большого взрыва. Альфер, в то время всего лишь аспирант, был в целом разочарован включением имени Бете в эту работу. Он опасался, что присутствие другого известного физика затмит его собственный вклад и помешает ему получить заслуженное признание за столь важное открытие. Он выражал обиду на прихоть Гамова вплоть до 1999 года.
After this, Bethe did work on Big Bang nucleosynthesis. Alpher, at the time only a graduate student, was generally dismayed by the inclusion of Bethe's name on this paper. He felt that the inclusion of another eminent physicist would overshadow his personal contribution to this work and prevent him from receiving proper recognition for such an important discovery. He expressed resentment over Gamow's whimsy as late as 1999.
Основные недостатки теории
Первоначально теория предполагала, что все атомные ядра образуются путем последовательного захвата нейтронов, по одной единице массы за раз. Однако последующие исследования поставили под сомнение универсальность теории последовательного захвата. Не было обнаружено ни одного элемента, имеющего стабильный изотоп с атомной массой пять или восемь. Физики вскоре заметили, что эти пробелы в массе затрудняют образование элементов тяжелее гелия. Подобно тому, как невозможно подняться по лестнице, если пропущена ступенька, это открытие показало, что теория последовательного захвата не может объяснить происхождение более тяжелых элементов. В конечном итоге было признано, что большинство тяжелых элементов, наблюдаемых в современной Вселенной, образуются в результате звездного нуклеосинтеза в звездах – теория, впервые предложенная Артуром Стэнли Эддингтоном, получившая поддержку Ханса Бете и количественно разработанная Фредом Хойлом и рядом других ученых. Тем не менее, теория Альфера–Бете–Гамоу правильно объясняет относительное содержание изотопов водорода и гелия. Вместе они составляют более 99% барионной массы Вселенной. В настоящее время считается, что нуклеосинтез происходил в два этапа: образование водорода и гелия согласно теории Альфера–Бете–Гамоу и звездный нуклеосинтез более тяжелых элементов согласно более поздним теориям Бете и Хойла.
The theory originally proposed that all atomic nuclei are produced by the successive capture of neutrons, one mass unit at a time. However, later study challenged the universality of the successive capture theory. No element was found to have a stable isotope with an atomic mass of five or eight. Physicists soon noticed that these mass gaps would hinder the production of elements beyond helium. Just as it is impossible to climb a staircase one step at a time when one of the steps is missing, this discovery meant that the successive capture theory could not account for higher elements. 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 first suggested by Arthur Stanley Eddington, given credence by Hans Bethe, and quantitatively developed by Fred Hoyle and a number of other scientists. However, the Alpher–Bethe–Gamow theory does correctly explain the relative abundances of the isotopes of hydrogen and helium. Taken together, these account for more than 99% of the baryonic mass of the universe. Today, nucleosynthesis is widely considered to have taken place in two stages: formation of hydrogen and helium according to the Alpher–Bethe–Gamow theory, and stellar nucleosynthesis of higher elements according to Bethe and Hoyle's later theories.