Що стосується нашого космічного витоку, то впродовж історії висунута низка теорій. Буквально кожна культура, яка коли-небудь існувала, мала власну міфологічну традицію, яка природно включала історію створення. З народженням наукової традиції вчені почали розуміти Всесвіт з точки зору фізичних законів, які можна було перевірити та довести.
З зорі космічної доби вчені почали випробовувати космологічні теорії на предмет явищ, що спостерігаються. З усього цього до останньої половини XX століття виникла низка теорій, які намагалися пояснити, як складаються всі матерії та фізичні закони, що керують нею. З них теорія великого вибуху залишається найбільш широко прийнятою, в той час як гіпотеза про стійку державу історично була її найбільшим викликом.
Стаціонарна модель стверджує, що щільність речовини у Всесвіті, що розширюється, з часом залишається незмінною через безперервне створення матерії. Іншими словами, спостережуваний Всесвіт по суті залишається тим самим незалежно від часу чи місця. Це суттєво протиставляє теорію, що більшість матерій було створено за одну подію (Великий вибух) і з тих пір розширюється.
Витоки
Хоча поняття стабільного та незмінного Всесвіту було прийняте протягом усієї історії, лише в ранній сучасний період вчені почали тлумачити це в астрофізичному відношенні. Перший чіткий приклад цього аргументованого в контексті астрономії та космології був у Ісаака Ньютона Математичні засади натурфілософії (Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica), опублікованому в 1687 році.
У магнумовому опусі Ньютона він уявив Всесвіт поза Сонячною системою як порожній простір, який рівномірно простягався у всіх напрямках до незмірних відстаней. Далі він пояснив за допомогою математичних доказів та спостережень, що весь рух і динаміка в цій системі пояснювались за єдиним принципом універсальної гравітації.
Однак те, що стане відомим як гіпотеза сталого стану, з'явилося до початку 20 століття. Ця космологічна модель була натхнена рядом відкриттів, а також проривами у галузі теоретичної фізики. Вони включали Теорію загальної відносності Альберта Ейнштейна та спостереження Едвіна Хаббла про те, що Всесвіт знаходиться в стані розширення.
Ейнштейн формалізував цю теорію до 1915 р. Після того, як вирішив поширити свою теорію особливої відносності для включення сили тяжіння. Зрештою, ця теорія стверджує, що гравітаційна сила речовини та енергії безпосередньо змінює кривизну простору часу навколо неї. Або, як резюмував це відомий фізик-теоретик Джон Вілер, «простір-час розповідає про те, як рухатися; матерія підказує простір і час, як кривитись. "
До 1917 р. Теоретичні розрахунки, засновані на польових рівняннях Ейнштейна, показали, що Всесвіт повинен перебувати або в стані розширення, або в стисканні. До 1929 р. Спостереження Джорджа Леметра (який запропонував теорію великого вибуху) та Едвіна Хаббла (за допомогою 100-дюймового телескопа Хукера в обсерваторії Маунт-Вілсон) показали, що останнє саме так.
На основі цих відкриттів у 1930-х роках розпочалася дискусія про можливі витоки та справжню природу Всесвіту. З одного боку, були ті, хто стверджував, що Всесвіт у віці кінцевий і розвивається з часом за рахунок охолодження, розширення та утворення структур внаслідок гравітаційного колапсу. Ця теорія була сатирично названа «Великим вибухом» Фреда Хойла, і назва дотримувалася.
Тим часом більшість астрономів у той час трималися теорії про те, що поки спостерігається Всесвіт розширюється, він, тим не менш, не змінюється з точки зору щільності речовини. Коротше кажучи, прихильники цієї теорії стверджували, що Всесвіт не має ні початку, ні кінця, і ця матерія постійно створюється з часом - зі швидкістю одного атома водню на кубічний метр на 100 мільярдів років.
Ця теорія також поширила космологічний принцип Ейнштейна, ака. Космологічна константа (КК), яку запропонував Ейнштейн у 1931 році. За словами Ейнштейна, ця сила відповідала за «стримування сили тяжіння» та забезпечення того, щоб Всесвіт залишалася стійкою, однорідною та ізотропною з точки зору своєї масштабної структури.
Змінюючи цей принцип і розширюючи його, члени Стаціонарної школи думки стверджували, що саме безперервне створення матерії гарантувало, що структура Всесвіту з часом залишається однаковою. Це інакше відоме як ідеальний космологічний принцип, який розв’язує гіпотезу стаціонарного стану.
Теорія стійкої держави стала широко відомою в 1948 році, опублікувавши дві праці: "Нова модель для розширення Всесвіту" англійського астронома Фреда Хойла та "Теорія сталого стану та всесвіт, що розширюється" британсько-австрійського астрофізика та команда космологів Герман Бонді та Томас Голд.
Основні аргументи та прогнози
Аргументи на користь гіпотези стаціонарного стану включають очевидну проблему масштабу в часі, що виникає через спостережувану швидкість космічного розширення (ака. Констант Хаббла або закон Хаббла-Леметра). Спираючись на спостереження Хаббла щодо довколишніх галактик, він підрахував, що Всесвіт розширюється зі швидкістю, яка систематично збільшується з відстані.
Це породило думку про те, що Всесвіт почав розширюватися із значно меншого обсягу простору. За відсутності прискорення / уповільнення - 500 км / с на Мегапарсек (310 м / с на Мпк) - Константа Хаббла означала, що вся матерія розширюється протягом приблизно 2 мільярдів років - що також буде верхнім віком Всесвіту.
Цій знахідці суперечили радіоактивні датування, де вчені вимірювали швидкість гниття родовищ урану-238 та плутонію-205 у зразках гірських порід. Використовуючи цей метод, найстаріші зразки гірських порід (які були місячними за походженням) оцінювались на рівні 4,6 мільярда років. Ще одна невідповідність виникла в результаті теорії еволюції зірок.
Коротше кажучи, швидкість, з якою водород зливається у внутрішніх місцях зірок (для створення гелію), дає верхню оцінку віку 10 мільярдів років для кульових скупчень - найдавніших зірок у галактиці. Більше того, в цій моделі не могло відбутися еволюції на великих відстанях - це означало б, що джерела радіо - ака. квазари або активні галактичні ядра (АГН) - були б єдиними у Всесвіті.
Це також означало б, що Константа Хаббла (як було обчислено на початку 20 століття) залишатиметься постійною. Модель Steady-State також передбачала, що стійке створення антиматерії та нейтронів призведе до регулярного знищення та розпаду нейтронів, що призведе до існування гамма-фону та гарячого рентгенівського газу, що випромінює всесвіт.
Великий вибух для виграшу
Однак постійні спостереження протягом 1950-х та 1960-х років неухильно призводили до накопичення доказів проти гіпотези про стійку державу. Сюди входить відкриття яскравих радіоджерел (т.к. квазарів і радіогалактик), які були виявлені в далеких галактиках, але не в тих, хто нам найближчий, - це свідчить про те, що багато галактик з часом стали «радіо тихими».
До 1961 р. Опитування радіоджерел дозволяло проводити статистичний аналіз, який виключав можливість рівномірного розподілу яскравих радіогалактик. Іншим важливим аргументом проти гіпотези стаціонарного стану було відкриття в 1964 р. Космічного мікрохвильового фону (CMB), яке спрогнозувала модель Великого вибуху.
У поєднанні з відсутністю гамма-фону та поширених хмар рентгенівських газів модель Великого вибуху стала широко прийнятою в 1960-х роках. До 1990-х років спостереження з Космічний телескоп Хаббл та інші обсерваторії також виявили, що космічне розширення не було послідовним у часі. Протягом останніх трьох мільярдів років, насправді, він прискорювався.
Це призвело до декількох вдосконалень Константи Хаббла. На основі даних, зібраних Мікрохвильовим анізотропічним зондом Вілкінсона (WMAP), швидкість космічного розширення в даний час оцінюється в межах від 70 до 73,8 км / с на Мпк (43,5 до 46 м / с на Мпц) з похибкою 3%. Ці значення набагато більше відповідають спостереженням, які ставлять вік Всесвіту приблизно до 13,8 мільярдів років.
Сучасні варіанти
Починаючи з 1993 року, Фред Хойл та астрофізики Джеффрі Бербідж та Джаянт В. Нарлікар почали публікувати серію досліджень, в яких запропонували нову версію гіпотези сталого стану. Відома як гіпотеза квазістаціонарного стану (QSS), ця варіація намагалася пояснити космологічні явища, яких стара теорія не враховувала.
Ця модель дозволяє припустити, що Всесвіт є результатом створення карток (ака. Міні-чубків), що відбуваються протягом багатьох мільярдів років. Ця модель була змінена у відповідь на дані, які показали, як швидкість розширення Всесвіту прискорюється. Незважаючи на ці модифікації, астрономічна спільнота все ще вважає Великий вибух найкращою моделлю для пояснення всіх спостережуваних явищ.
Сьогодні ця модель відома як модель «Ламбда-холодна темна матерія» (LCDM), яка включає в себе сучасні теорії про темну матерію та темну енергію з теорією Великого вибуху. Незважаючи на це, гіпотезу стаціонарного стану (та її варіанти) все ще відстоюють деякі астрофізики та космологи. І це не єдина альтернатива космології Великого вибуху ...
Ми написали багато статей з космології тут, у журналі Space. Ось що таке Всесвіт, теорія великого вибуху: еволюція нашого Всесвіту, що таке коливальна теорія Всесвіту ?, що таке великий розрив ?, що таке теорія мультивасу ?, що є теорія суперструнних ?, що таке космічний мікрохвильовий фон? , Велика криза: Кінець нашого Всесвіту ?, Що таке Велике замерзання ?, та Космологія 101: Кінець.
Астрономія У ролях також кілька цікавих епізодів на цю тему. Ось Епізод 5: Фон великого вибуху та космічна мікрохвильова піч, Епізод 6: Більше доказів Великого вибуху, Епізод 79: Наскільки великий Всесвіт ?, Епізод 187: Історія астрономії, Частина 5: 20 століття та Епізод 499: Що таке Запропонований закон Хаббла-Лемайтера?
Джерела:
- Вікіпедія - космологічний принцип
- Вікіпедія - стаціонарна гіпотеза
- Ідеї космології - великий вибух або стаціонарний стан?
- Енциклопедія «Британіка» - теорія стійкої держави
- UBC астрономія та астрофізика - основні проблеми космології
- "Нова модель для розширення Всесвіту", Хойл, Ф. MNRAS, vol. 108, ні. 372 (1948)
- "Квазістаціонарні та пов'язані з ними космологічні моделі: історичний огляд", Краг. H. (2012)
- "Стаціонарна теорія розширюваного Всесвіту", MNRAS, vol. 108, стор. 252 (1948)
- "Стаціонарна теорія Ейнштейна: занедбана модель космосу", Європейський фізичний журнал H, vol. 39, стор. 353-367 (2014)
- “Квазі-стаціонарна космологічна модель зі створенням матерії”, Хойл, Ф .; Бербідж, Дж .; Narlikar, J. V., Astrophysical Journal v. 410, p. 437 (1993)
