big bang 21/1/98 - for those who teach · 2016-10-31 · creation and the big bang(london: marshall...

CHARIS Sc ience Uni t 10 • The B ig Bang

Teacher ’s Notes • 117© The Stap leford Centre 1997

UNIT 10

Sc4 Physical processes

u Knowledge of ideas used to explain the evolution of the Universe into its present state.

Sc0 The nature of science

u An understanding of how scientific ideas are accepted and rejected on the basis of empirical evidence, and how scientific controversies can arise from different ways of interpreting such evidence.

u Consideration of the ways in which scientific ideas may be affected by the social and historical contexts in which they develop, and how these contexts may affect whether or not the ideas are accepted.

u To explore the compatibility of the Big Bang model with some religious views.

u To show that the origin of the Universe is controversial even among scientists.

Links with GCSE

TheTheBBigig BBangangThis unit looks at how the Universe may havestarted.

Using this unit

The unit opens with quotations from severalscientists which show that the Big Bang modelof origins is not totally acceptable to all ofthem.

The next section is an outline of the model andsome of the problems there are with it. Someother models are briefly described.

The main student activities are questions basedon the reading.

Cameos of Chandrasekhar and Burbidge areincluded in order to undermine the idea thatscience is the preserve of white males.

No prior background knowledge of the BigBang is assumed.

The work covered is suitable for Higher Levelstudents.

Students will require a dictionary, a balloon anda marker pen.

The material is suitable as a homework exercise.

Moral and spiritual aims TE

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Notes on the activities

Activity 1: Why is there somethingrather than nothing?A number of quotations from scientists are presented.This is followed by six questions. Questions 1-3 arebasic comprehension questions. 4-6 are more openended and could be used as discussion starters.

As with all models, the balloon model has limitations.The model is slightly misleading in that the “spirals”grow as the balloon is blown up, and the balloon is a2D representation of 3D. This could lead to adiscussion about the usefulness of models in science.

Activity 2: The Big Bang modelThe questions are based on the preceding reading.

Questions 1-3 are basic comprehension based on thetext. The remaining questions are more open todebate and discussion.

Question 7 may need some preliminary discussion.

Question 9 leads to a discussion of the nature ofreligious and scientific statements. If by “religious” ismeant “not open to logical or observational proof, orbased on faith commitments”, then we may bejustified in calling all the statements religious!

Question 10 could be used as the basis of a debate.

Extension ideasStudents could research into:

u The ideas of Stephen Hawking: has Hawking shown convincingly that we no longer need a “creator”? A useful reference is S. Hawking’s “The origin of the universe” in Black Holes and

Baby Universe (London: Bantham Press, 1993).

u The Steady State model and the Quasi-Steady Statemodel: why did Fred Hoyle reject the Big Bang model? Why is the Steady State model no longer a viable alternative? A useful reference here is Jayant Narliker’s “Challenge for the big bang” in New Scientist 19 June 1993, pp. 27-30.

u Background radiation and NASA’s cosmic Background Explorer Satellite (COBE): why were the COBE results hailed “as the greatest discovery of the century - if not of all time” by Stephen Hawking? Reference here is to his “Big bang echoes through the universe” New Scientist 2 May 1992 No 1819, pp. 4-6. See also George Efstathiou, “Beyond cosmic ripples” New Scientist 1May 1993 No. 1871, pp. 26-30.

CHARIS Sc ienceUni t 10 • The B ig Bang

118 • Teacher ’s Notes © The Stap leford Centre 1997

Additional resources

John Barrow, The Origin of the Universe (London: Phoenix paperbacks, 1995).Paul Davies, “The day time began” New Scientist 27 April 1996 No. 2027, pp. 30-35.Felix Pirani and Christine Roche, The Universe for Beginners (Cambridge: Icon Books, 1993).Michael Poole, Beliefs and Values in Science Education (Buckingham: Open University Press, 1995) chapter 5.Russell Stannard, Doing Away with God? Creation and the Big Bang (London: Marshall Pickering, 1993).David Wilkinson, God, The Big Bang and Stephen Hawking (Crowborough: Monarch, 1996, 2nd edn).A video by Russell Stannard, The Question is... dealing with some of the issues raised in this unit is

available from CEM, Publications Department, Royal Buildings, Victoria Street, Derby DE1 1GW.

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© The Stap leford Centre 1997

“Now read on ...When does it start?

There are very few starts. Oh, some things seem to be beginnings.

The curtain goes up, the first pawn moves, the first shot is fired - but that’s not the start. The play, the game,the war is just a little window on a ribbon of events that may extend back thousands of years. The point is,there’s always something before. It’s always a case of Now Read On.

Much human ingenuity has gone into finding the ultimate Before.

The current state of knowledge can be summarized thus:

In the beginning, there was nothing, which exploded.

Other theories about the ultimate start involve gods creating the universe out of the ribs, entrails and testiclesof their father. There are quite a lot of these. They are interesting, not for what they tell you about cosmology,but for what they say about people. Hey, kids which part do they think they made your town out of?”

Terry Pratchett, Lords and Ladies: A Discworld Novel (London: Corgi edition, 1993; p. 7)

CHARIS Sc ience

Student ’s Sheet • 119

Uni t 10 • The B ig Bang

The The BBigig BBangang

UNIT 10


120 • Student ’s Sheet © The Stap leford Centre 1997

Why is there something rather than nothing?

How did we get here? Many of the world’s religions havetheir own answer to this question. So too do scientists.However, the scientists have almost as many answers asthe world’s religions!

Here are the answers some scientists have given to thequestion: “What is your view on the origin of theuniverse?”

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1

Stuart Bowyer (Professor of Astronomy,University of California, USA):“Ultimately, the origin of the universe is, andalways will be, a mystery.”

Professor D. H. R. Barton (Director of Institute

for the Chemistry of Natural Substances,

Gif-sur-Yvette,France):

“The universe does not have an origin. It is a varying

phenomenon. Perhaps it expands and then contracts

again in an infinite number of cycles.”

John Erik Fornaess (Professor of Mathematics, Princeton University, USA):“The origin of the universe is via the Big Bang some fifteen billion years ago.The physics of the first fraction of a second is unknown. Where matter came fromis also unknown. It is also unknown where consciousness came from.”

William A. Little (Professor of Physics,

Stanford University, USA):

“I go along with the Big Bang picture but recognize that

it does not address the deeper issues as to why it

happened - was it planned, is it part of a grander scheme

of things? It is an impressive accomplishment to have all

we see about us result from a few laws of physics, lots of

energy, and a great deal of patience! It is hard to believe

that there isn’t more to it than this.”

Henry Margenau (Professor of Physicsand Natural Philosophy,Yale University, USA):“God created the universe out of nothingin an act which also brought time intoexistence. Recent discoveries, such asobservations supporting the Big Bangand similar astronomicalphenomena, are wholly compatiblewith this view.”

Edward Nelson (Professor ofMathematics,Princeton University, USA):“I am highly sceptical aboutcontemporary cosmology.Scientists are as prone to fadsand herd behaviour as the rest ofour species, and in my view theBig Bang theory has been toowidely accepted on the basis ofinsufficient evidence.”

Arthur L. Schawlow (Professor of Physics,

Stanford University, USA):

“Current research in astrophysics seems to indicate

that the ultimate origin of the universe may be not

only unknown but unknowable. That is, if we assume

the Big Bang which present evidence strongly

supports, there is no real way to find out what came

before the Big Bang.”

Unit 10 • The B ig BangCHARIS Sc ience

Student ’s Sheet • 121© The Stap leford Centre 1997

1. Using a dictionary or textbook, write a glossary for the bold words in the quotations.

2. What do you think that Professor Little meant by “the deeper issues”?

3. What does Professor Nelson mean by “highly sceptical”?

4. What are “fads and herd behaviour”?

5. Why do you think that some of the scientists quoted above disagree?

6. Do you think we will ever be able to know where the Universe came from?

7. How would you have answered the same question the scientists were asked?

The Big Bang model

Once upon a time, or in thebeginning ... all thematter/energy that is aroundtoday was compressed togetherin an extremely small, very densespot. Then bang! It explodedand spread out in all directions:space and time were created. Asthe small, very dense spotexpanded, its temperature anddensity decreased. So that nowspace is very cold (about -270ºC)and not very dense. As it cooledand expanded, first hydrogenand then helium were formedand then stars, planets, galaxiesand eventually life began to form. The stars were the furnaces in which most of the elementswe have today were made. This, briefly, is the Big Bang model of the creation of the Universe.This theory of creation was first proposed by Abbé Lemaître (1894-1966), a Belgian astronomerand Catholic priest.

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2

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Experiment: A 2D model of the expansion of the Universe: Take an uninflated balloon, usea marker pen to mark a cross on it. Then put spirals all around the surface of the balloon.Slowly start to blow up the balloon. As you do so watch all the points in relation to the cross.What do you notice?

Place another cross on the uninflated balloon, and blow it up again. What do you notice thistime?

You should see that no matter where the cross is placed, all the other parts of the balloon moveaway from it, and the spirals furthest away from the cross move the fastest. All the dots aremoving away from each other.

This is rather like the expansion of the Universe: the spirals represent galaxies, though galaxiesthemselves do not expand.

There are three main pieces of evidence for the Big Bang.

1. The expansion of the UniverseOur Universe is expanding. The evidence is based on what is called red shift. This red shift is thestretching of light waves from a source that is moving away from us. We can hear a similareffect by listening to a car engine. As it comes towards you it has a higher frequency thanwhen it is moving away. This is known as the Doppler effect.

When seen through a spectroscope, mostgalaxies show this red shift effect,indicating that they are all moving awayfrom us.

In 1929, an American astronomer, EdwinHubble, discovered a relationship betweenthe size of the red shift and the distance ofthe galaxies.

If we know how fast a galaxy is travelling and how faraway it is from us, then we can work back and find out how long it took for the Universe toexpand from a small, very dense spot. It is as simple as time = distance/velocity!

The Hubble constant H = speed of recession/distance from us

The Hubble constant thus enables us to calculate the age of the Universe. Most estimates givean answer of between 5 and 15 thousand million years.

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2. Background radiation

If the Big Bang model is correct, then we would expect that when the small, very dense spotexploded there was a tremendous amount of heat energy generated. Over time, thetemperature of the Universe would have cooled down.

In 1948, George Gamow and others predicted that if the Big Bang model was correct, thenthere should be radiation in the Universe coming from all directions at around - 268°C. In1965, two scientists, Arno Penzias and Robert Wilson, were using a radio telescope to detectsignals from space. They kept getting an annoying hiss which was present wherever theypointed their telescope.

Eventually it was realised that this annoying hiss was the remains of the Big Bang fireball, aspredicted 15 years earlier. (Though it turned out that the original prediction of a temperature ofabout -268°C was a little too high, we now know that space is -270°C or 3 K, that is threedegrees above the coldest temperature possible.)

More recently, this background radiation has been studied in more detail by NASA’s CosmicBackground Explorer Satellite (COBE). Scientists now think that the radiation is not quite assmooth as was originally thought. This evidence fitted in even better with the Big Bang model.The discovery of these variations in the temperature background are consistent with theUniverse being “clumpy” (that is made up of planets, stars etc. ) and not all the samethroughout.

3. The abundancies of atoms in the Universe

A third piece of evidence for the Big Bang is the proportion of the different kinds of atom inthe Universe. The early, hot dense, Universe would have acted at one time as a thermonuclearreactor to produce the elements. The ratio of hydrogen, helium and other heavier elementspredicted by the Big Bang model corresponds to what we find today.

What’s in a name?

The term ‘Big Bang’ was first coined by Fred Hoyle as a joke. However, the name stuck. Thename is unfortunate because it can lead to a number of misunderstandings. The initialbeginnings of the Universe were not ‘big’ nor did they cause a ‘bang’ that could be heard. It isuseful to think of it as an explosion because the expansion was so rapid and so violent, eventhough this ‘explosion’ apparently produced order rather than chaos!

Can you think of a better name for it than the Big Bang?

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1. Explain what is meant by the Big Bang.

2. How would you explain red shift and the Doppler effect to a younger sister or brother?

3. What is a spectroscope?

4. How does the Big Bang model explain the expansion of the Universe and the background radiation?



Not everyone agrees with the Big Bang model. The title of an editorial in an important scientificjournal declared, “Big Bang not dead but in decline” (Nature, September 1995). There areseveral problems with the Big Bang model.

1. Red shift

One major piece of evidence for the expansion of the Universe is that light from galaxies is red-shifted. This red shift can be accounted for in other ways that may not mean that the galaxiesare moving away from us. As light leaves a galaxy, it is possible that the galaxy’s gravity maylengthen its wavelength and the light would then appear red-shifted.

A light source moving at right angles to an observer could also appear red-shifted. This couldmean that the Universe is in circular motion instead of expanding!

2. Background radiation

The recent results received from the COBE satellite seem to have confirmed the Big Bangmodel. It is claimed that the variations in the background noise detected provide evidence forthe clumping of matter in the early Universe. However, some scientists have claimed that theradiation may be the result of gravitational waves or even noise from the instrumentsthemselves.

3. Problems with the Hubble constant

The Hubble constant can be used to calculate the age of the Universe. However, someestimates of the Hubble constant, using data from the Hubble space telescope (the largesttelescope ever placed in orbit), have given values that suggest that the Universe is younger thansome of the star clusters in it! But how can there be an old galaxy in a younger Universe?

4. Where did it all come from?

The Big Bang model assumes an original concentration of mass/energy. The Big Bang modeldoes not provide any acceptable explanation of where this came from. Neither does it providean explanation as to what caused such rapid expansion: gravity would have prevented it fromexpanding outwards.

These problems show that the Big Bang mosel is not as cut and dried as it is sometimesportrayed. Geoffrey Burbidge, Professor of Physics at the University of California, puts it likethis:

“Big bang cosmology is probably as widely believed as has been any theory of the universe inthe history of Western civilization. It rests, however, on many untested, and in some cases

untestable, assumptions. Indeed big bang cosmology has become a bandwagon of thoughtthat reflects faith as much as objective truth.”(in Scientific American, February 1992, p.96)

Do you think Professor Burbidge is right?

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Problems with the Big Bang model

Does the following equation work:

Matter + time + chance + energy = life, the Universe and everything?

Or is there something missing from it?

The Steady State model

The Steady State model was proposed by a group known as the Cambridge Circus (theseincluded Fred Hoyle, Hermann Bondi and Thomas Gold). The idea for it came as they werewatching a ghost film. The film’s conclusion was the same as the starting point.

They proposed that the Universe had no beginning: it always existed. The Universe expands,and new matter is created in the gaps that arise as it expands, so that the distribution of matterstays the same. The Steady State model is inconsistent with background radiation, which wasdiscovered in 1965.

A more recent, modified version of the Steady State model is known as the Quasi-Steady Statemodel. The physicists behind this idea include Fred Hoyle and Geoffrey Burbidge. Hoyle stillregards the Big Bang as a myth and maintains that the Universe had no beginning.

The oscillating Universe

This model is similar to the Big Bang, but on this view the expansion of the Universe will slowdown and eventually stop. Gravity would then cause the Universe to contract. When all thegalaxies collide, there would be another Big Bang and the Universe would start expanding allover again.

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Other models

An Indian physicist Subrahmanyan Chandrasekhar (1910-) discovered that when a star hasexhausted its fuel, it collapses inward due to the force of gravity. The star will carry oncollapsing until the outward force of the star’s compressed and ionised gases stops it. At thisstage, the star becomes a white dwarf.

A British astronomer who has worked on the creation of elements in space is MargaretBurbidge (1922- ). She, together with Fred Hoyleand others, showed how a star that mostlyconsists of hydrogen could produce theheavier elements. The process isknown as nucleosynthesis.

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“Although science may solve the problemof how the universe began, it cannot answer the

question: why does the universe bother to exist? I don’tknow the answer to that.”

Stephen Hawking (Lucasian Professor ofMathematics, Cambridge)



Now try these questions:

5. What evidence is there for the Big Bang? Is it conclusive?

6. Does the Big Bang mean that we no longer need a creator?

7. Does the Big Bang explain the purpose of life?

8. Is the statement below logical? Give reasons for your answer.

“Mum’s letter says the cake was made by Anne, but we know it was made by cooking.”

Look at this second statement. Does this one make sense?

“The Bible says the world was made by God, but we know it was made by the Big Bang.”

Do you agree or disagree with the last statement?

9. Read the following statements.

(a) Which of the statements do you believe are true? Why?

(b) Try to classify them according to whether they are religious or scientific statements

(or both).

(i) In the beginning there was nothing.

(ii) In the beginning God created the heavens and the earth.

(iii) We were once stardust.

(iv) The Universe was created by the Big Bang.

(v) The Universe was created by God.

(vi) The Universe is as it is because it was as it was.

(vii)The Universe didn’t start. It’s eternal.

10. Read these statements:

Which of them better expresses your own viewand why?

“The more the universe seemscomprehensible, the more it alsoseems pointless.”Steven Weinberg (1977)The First Three Minutes

“This most beautiful system of the

sun, planets and comets, could only

proceed from the counsel and

dominion of an intelligent and

powerful Being.”

Isaac Newton (1687) Principia

big bang 21/1/98 - for those who teach · 2016-10-31 · creation and the big bang(london: marshall...

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