Когда речь идет о нашем космическом происхождении, на протяжении истории выдвигался ряд теорий. Буквально каждая культура, которая когда-либо существовала, имела свою мифологическую традицию, которая, естественно, включала историю сотворения мира. С рождением научной традиции ученые начали понимать Вселенную с точки зрения физических законов, которые можно было проверить и доказать.
С рассветом космической эры ученые начали проверять космологические теории в терминах наблюдаемых явлений. Из всего этого во второй половине 20-го века возник ряд теорий, которые пытались объяснить, как возникла вся материя и физические законы, управляющие ею. Из них теория Большого взрыва остается наиболее широко принятой, в то время как гипотеза о стационарном состоянии исторически была ее самой большой проблемой.
Модель установившегося состояния утверждает, что плотность вещества в расширяющейся вселенной остается неизменной с течением времени из-за непрерывного создания материи. Другими словами, наблюдаемая Вселенная, по существу, остается неизменной независимо от времени и места. Это резко контрастирует с теорией о том, что большая часть материи была создана в одном событии (Большой взрыв) и с тех пор расширяется.
Происхождения
Хотя понятие стабильной и неизменной Вселенной было принято на протяжении всей истории, лишь в начале современного периода ученые начали интерпретировать это в астрофизических терминах. Первый ясный пример того, как об этом говорили в контексте астрономии и космологии, был у Исаака Ньютона. Математические основы естественной философии (Философия Naturalis Principia Mathematica) опубликовано в 1687 г.
В «Большом опусе» Ньютона он осмыслил Вселенную за пределами Солнечной системы как пустое пространство, которое равномерно распространялось во всех направлениях на неизмеримые расстояния. Далее он объяснил с помощью математических доказательств и наблюдений, что все движение и динамика в этой системе были объяснены через единый принцип всемирного тяготения.
Однако то, что стало известно как Гипотеза о стационарном состоянии, появилось только в начале 20-го века. Эта космологическая модель была вдохновлена рядом открытий, а также прорывами в области теоретической физики. К ним относятся теория общей теории относительности Альберта Эйнштейна и наблюдения Эдвина Хаббла о том, что Вселенная находится в состоянии расширения.
Эйнштейн формализовал эту теорию к 1915 году после того, как решил расширить свою теорию специальной теории относительности, чтобы включить гравитацию. В конечном счете, эта теория утверждает, что гравитационная сила вещества и энергии напрямую изменяет кривизну пространства-времени вокруг нее. Или, как резюмировал знаменитый физик-теоретик Джон Уилер, «пространство-время говорит материи, как двигаться; материя говорит пространству-времени, как изгибаться ».
К 1917 году теоретические расчеты, основанные на полевых уравнениях Эйнштейна, показали, что Вселенная должна находиться в состоянии расширения или сжатия. К 1929 году наблюдения, сделанные Джорджем Леметром (который предложил Теорию Большого взрыва) и Эдвином Хабблом (с использованием 100-дюймового телескопа Хукера в обсерватории Маунт-Уилсон), продемонстрировали, что последний имел место.
Основываясь на этих откровениях, в 1930-х годах начались дебаты о возможных источниках и истинной природе Вселенной. С одной стороны, были те, кто утверждал, что Вселенная была конечной по возрасту и развивалась с течением времени в результате охлаждения, расширения и образования структур в результате гравитационного коллапса. Эта теория была сатирически названа «Большим взрывом» Фредом Хойлом, и название застряло.
Между тем, большинство астрономов того времени придерживались теории, что, хотя наблюдаемая Вселенная расширяется, она, тем не менее, не изменяется с точки зрения плотности вещества. Короче говоря, сторонники этой теории утверждали, что Вселенная не имеет ни начала, ни конца, и что материя непрерывно создается со временем - со скоростью один атом водорода на кубический метр на 100 миллиардов лет.
Эта теория также расширила космологический принцип Эйнштейна, иначе. Космологическая константа (CC), которую Эйнштейн предложил в 1931 году. Согласно Эйнштейну, эта сила была ответственна за «сдерживание гравитации» и обеспечение того, чтобы Вселенная оставалась устойчивой, однородной и изотропной с точки зрения ее крупномасштабной структуры.
Изменив этот принцип и расширив его, члены научной школы «Стационарное государство» утверждали, что непрерывное создание материи обеспечило сохранение структуры Вселенной во времени. Это иначе известно как идеальный космологический принцип, который развивает гипотезу о стационарном состоянии.
Теория устойчивого состояния стала широко известна в 1948 году благодаря публикации двух статей: «Новая модель расширяющейся вселенной» английского астронома Фреда Хойла и «Теория устойчивого состояния и расширяющаяся вселенная» британско-австрийским астрофизиком и команда космологов Германа Бонди и Томаса Голда.
Ключевые аргументы и прогнозы
Аргументы в пользу Гипотезы установившегося состояния включают очевидную проблему масштаба времени, возникающую из-за наблюдаемой скорости космического расширения (иначе говоря, константы Хаббла или закона Хаббла-Леметра). Основываясь на наблюдениях Хаббла близлежащих галактик, он подсчитал, что Вселенная расширяется со скоростью, которая систематически увеличивается с расстоянием.
Это породило идею о том, что Вселенная начала расширяться из гораздо меньшего объема пространства. В отсутствие ускорения / замедления - 500 км / с на Мегапарсек (310 м / с на Мпк) - постоянная Хаббла означала, что вся материя расширялась в течение примерно 2 миллиардов лет - что также будет верхним возрастом Вселенной.
Этот вывод был опровергнут радиоактивным датированием, где ученые измерили скорость распада месторождений урана-238 и плутония-205 в образцах горных пород. Используя этот метод, самым старым образцам породы (которые были лунного происхождения), по оценкам, было 4,6 миллиарда лет. Другое несоответствие возникло в результате теории эволюции звезд.
Короче говоря, скорость, с которой водород сливается внутри звезд (чтобы создать гелий), дает верхнюю оценку возраста в 10 миллиардов лет для шаровых скоплений - самых старых звезд в галактике. Более того, никакая эволюция на больших расстояниях не могла бы произойти в этой модели - что означало бы, что радиоисточники - иначе. квазары или активные галактические ядра (AGN) - были бы единообразными во всей Вселенной.
Это также означало бы, что постоянная Хаббла (рассчитанная в начале 20-го века) останется постоянной. Стационарная модель также предсказывала, что устойчивое образование антивещества и нейтронов приведет к регулярным аннигиляциям и распаду нейтронов, что приведет к существованию гамма-фона и горячего газа, излучающего рентгеновское излучение, во всей Вселенной.
Большой взрыв для победы
Однако продолжающиеся наблюдения в течение 1950-х и 1960-х годов неуклонно приводили к накоплению доказательств против Гипотезы устойчивого состояния. К ним относится открытие ярких радиоисточников (так называемых квазаров и радиогалактик), которые были обнаружены в далеких галактиках, но не в самых близких к нам, что указывает на то, что многие галактики со временем стали «радиомолчать».
К 1961 году исследования радиоисточников позволили провести статистический анализ, который исключил возможность равномерного распределения ярких радиогалактик. Другим важным аргументом против гипотезы о стационарном состоянии было открытие космического микроволнового фона (CMB) в 1964 году, который предсказал модель Большого взрыва.
В сочетании с отсутствием гамма-фона и распространяющихся облаков рентгеновского газа модель Большого взрыва получила широкое признание в 1960-х годах. К 1990-м годам наблюдения с Космический телескоп Хаббл и другие обсерватории также обнаружили, что космическое расширение не было последовательным во времени. Фактически, в течение последних трех миллиардов лет оно ускорялось.
Это привело к нескольким уточнениям постоянной Хаббла. Основываясь на данных, собранных с помощью микроволнового зонда анизотропии Уилкинсона (WMAP), скорость космического расширения в настоящее время оценивается в диапазоне от 70 до 73,8 км / с на Мпк (от 43,5 до 46 м / с на Мпк) с погрешностью 3%. Эти значения гораздо больше соответствуют наблюдениям, в которых возраст Вселенной составляет около 13,8 миллиардов лет.
Современные варианты
Начиная с 1993 года Фред Хойл и астрофизики Джеффри Бербидж и Джаянт В. Нарликар начали публиковать серию исследований, в которых они предложили новую версию Гипотезы устойчивого состояния. Эта вариация, известная как гипотеза квазистационарного состояния (QSS), пыталась объяснить космологические явления, которые старая теория не учитывала.
Эта модель предполагает, что Вселенная является результатом карманов творения (мини-челки), происходящих в течение многих миллиардов лет. Эта модель была изменена в ответ на данные, которые показали, как скорость расширения Вселенной ускоряется. Несмотря на эти изменения, астрономическое сообщество по-прежнему считает, что Большой взрыв является лучшей моделью для объяснения всех наблюдаемых явлений.
Сегодня эта модель известна как модель Lambda-Cold Dark Matter (LCDM), которая включает в себя современные теории о Dark Matter и Dark Energy с теорией Большого взрыва. Несмотря на это, гипотеза о стационарном состоянии (и ее варианты) все еще отстаивается некоторыми астрофизиками и космологами. И это не единственная альтернатива космологии Большого взрыва ...
Мы написали много статей по космологии здесь, в журнале Space. Вот что такое Вселенная, теория Большого взрыва: эволюция нашей Вселенной, что такое теория колеблющейся вселенной? Что такое большой разрыв? Что такое теория мультивселенной? Что такое теория суперструн? Что такое космический микроволновый фон? Большой хруст: конец нашей вселенной? Что такое большая заморозка? И Космология 101: Конец.
Астрономия В ролях также несколько интересных эпизодов на эту тему. Вот Эпизод 5: Большой взрыв и космический микроволновый фон, Эпизод 6: Больше доказательств Большого взрыва, Эпизод 79: Насколько велика Вселенная ?, Эпизод 187: История астрономии, Часть 5: 20-й век, и Эпизод 499: Что такое предлагаемый закон Хаббла-Лемэра?
Источники:
- Википедия - космологический принцип
- Википедия - установившаяся гипотеза
- Идеи космологии - большой взрыв или устойчивое состояние?
- Британская энциклопедия - теория устойчивого состояния
- UBC Astronomy and Astrophysics - Фундаментальные проблемы космологии
- «Новая модель для расширяющейся вселенной», Хойл, Ф. MNRAS, вып. 108, нет. 372 (1948)
- «Квазистационарные и родственные космологические модели: исторический обзор», Краг. ЧАС. (2012)
- «Стационарная теория расширяющейся вселенной», MNRAS, вып. 108, стр. 252 (1948)
- «Теория устойчивого состояния Эйнштейна: заброшенная модель космоса», European Physical Journal H, vol. 39, стр. 353-367 (2014)
- «Квазистационарная космологическая модель с созданием материи», Hoyle, F .; Бербидж, Дж .; Нарликар Дж. В., Astrophysical Journal v. 410, p. 437 (1993)
