Jeśli chodzi o nasze kosmiczne pochodzenie, w ciągu historii rozwinęło się wiele teorii. Dosłownie każda kultura, która kiedykolwiek istniała, miała własną mitologiczną tradycję, która oczywiście obejmowała historię stworzenia. Wraz z narodzinami tradycji naukowej naukowcy zaczęli rozumieć Wszechświat w kategoriach praw fizycznych, które można przetestować i udowodnić.
Wraz z początkiem Ery Kosmicznej naukowcy rozpoczęli testowanie teorii kosmologicznych pod kątem obserwowalnych zjawisk. Z tego wszystkiego powstała druga teoria drugiej połowy XX wieku, która próbowała wyjaśnić, w jaki sposób powstała cała materia i rządzące nią prawa fizyczne. Spośród nich teoria Wielkiego Wybuchu pozostaje najczęściej akceptowana, podczas gdy hipoteza stanu ustalonego była historycznie największym wyzwaniem.
Model stanu ustalonego stwierdza, że gęstość materii we rozszerzającym się wszechświecie pozostaje niezmienna w czasie z powodu ciągłego tworzenia materii. Innymi słowy, obserwowalny Wszechświat zasadniczo pozostaje taki sam, niezależnie od czasu i miejsca. Stawia to w wyraźnym kontraście z teorią, że większość materii powstała w jednym wydarzeniu (Wielki Wybuch) i odtąd się rozwija.
Początki
Chociaż pojęcie stabilnego i niezmiennego Wszechświata zostało przyjęte w całej historii, dopiero we wczesnym okresie nowożytnym naukowcy zaczęli interpretować to w kategoriach astrofizycznych. Pierwszym wyraźnym przykładem tego argumentu w kontekście astronomii i kosmologii był Izaak Newton Matematyczne zasady filozofii naturalnej (Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica) opublikowany w 1687 r.
W dziele magnum Newtona konceptualizował Wszechświat poza Układem Słonecznym jako pustą przestrzeń, która rozciągała się równomiernie we wszystkich kierunkach na niezmierzone odległości. Następnie wyjaśnił za pomocą matematycznych dowodów i obserwacji, że cały ruch i dynamika w tym układzie zostały wyjaśnione za pomocą jednej zasady powszechnej grawitacji.
Jednak hipoteza stanu ustalonego pojawiła się dopiero na początku XX wieku. Ten model kosmologiczny został zainspirowany wieloma odkryciami, a także przełomami w dziedzinie fizyki teoretycznej. Należą do nich teoria ogólnej teorii względności Alberta Einsteina i obserwacje Edwina Hubble'a, że Wszechświat jest w stanie ekspansji.
Einstein sformalizował tę teorię do 1915 r. Po tym, jak postanowił rozszerzyć swoją teorię specjalnej teorii względności, aby uwzględnić grawitację. Ostatecznie teoria ta stwierdza, że siła grawitacji materii i energii bezpośrednio zmienia krzywiznę czasoprzestrzeni wokół niej. Lub, jak podsumował to znany fizyk teoretyczny John Wheeler, „czasoprzestrzeń mówi materii, jak się poruszać; materia mówi czasoprzestrzeni, jak zakrzywiać się ”.
Do 1917 r. Obliczenia teoretyczne oparte na równaniach pola Einsteina wykazały, że Wszechświat musiał być w stanie rozszerzania się lub kurczenia. W 1929 r. Obserwacje George'a Lemaitre'a (który zaproponował teorię Wielkiego Wybuchu) i Edwina Hubble'a (przy użyciu 100-calowego teleskopu Hookera w Obserwatorium Mount Wilson) wykazały, że tak było.
Na podstawie tych objawień rozpoczęła się w latach 30. XX wieku debata na temat możliwych początków i prawdziwej natury Wszechświata. Z jednej strony byli tacy, którzy twierdzili, że Wszechświat ma skończony wiek i ewoluował w czasie poprzez chłodzenie, ekspansję i tworzenie struktur z powodu zapaści grawitacyjnej. Teoria ta została satyrycznie nazwana przez Freda Hoyle'a „Wielkim Wybuchem”, a nazwa utknęła.
Tymczasem większość astronomów utrzymywała w tym czasie teorię, że chociaż obserwowalny Wszechświat się rozszerza, to jednak nie zmienia się pod względem gęstości materii. W skrócie, zwolennicy tej teorii argumentowali, że Wszechświat nie ma początku, ani końca, i że materia nieustannie powstaje w czasie - w tempie jednego atomu wodoru na metr sześcienny na 100 miliardów lat.
Ta teoria rozszerzyła także Kosmologiczną Zasadę Einsteina, alias. Stała kosmologiczna (CC), którą Einstein zaproponował w 1931 r. Według Einsteina siła ta była odpowiedzialna za „powstrzymywanie grawitacji” i zapewnienie, że Wszechświat pozostanie stabilny, jednorodny i izotropowy pod względem struktury na dużą skalę.
Modyfikując tę zasadę i ją rozszerzając, członkowie szkoły myśli Steady State argumentowali, że to ciągłe tworzenie materii zapewniało, że struktura Wszechświata pozostała niezmienna w czasie. Jest to inaczej znane jako idealna zasada kosmologiczna, która odkrywa hipotezę stanu ustalonego.
Teoria stanu ustalonego stała się szeroko znana w 1948 r. Dzięki opublikowaniu dwóch artykułów: „Nowy model rozszerzającego się wszechświata” angielskiego astronoma Freda Hoyle'a oraz „The Steady-State Theory and the Expanding Universe” brytyjsko-austriackiego astrofizyka oraz zespół kosmologów Hermanna Bondi i Thomasa Golda.
Kluczowe argumenty i prognozy
Argumenty przemawiające za hipotezą stanu ustalonego obejmują pozorny problem skali czasowej podniesiony przez obserwowane tempo ekspansji kosmicznej (np. Prawo Hubble'a lub prawo Hubble'a-Lemaitre'a). Na podstawie obserwacji Hubble'a dotyczących pobliskich galaktyk obliczył, że Wszechświat rozszerza się z prędkością, która systematycznie wzrasta wraz z odległością.
To zrodziło pomysł, że Wszechświat zaczął rozszerzać się ze znacznie mniejszej objętości przestrzeni. Wobec braku przyspieszenia / opóźnienia - 500 km / s na megaparsek (310 mps na Mpc) - stała Hubble'a oznaczała, że cała materia rozwija się od około 2 miliardów lat - co byłoby również wyższą erą Wszechświata.
Stwierdzeniu temu zaprzeczają datowania radioaktywne, w których naukowcy mierzyli tempo rozpadu złóż uranu-238 i plutonu-205 w próbkach skalnych. Za pomocą tej metody oszacowano, że najstarsze próbki skał (które były pochodzenia księżycowego) mają 4,6 miliarda lat. Kolejna niezgodność pojawiła się w wyniku teorii ewolucji gwiazd.
Krótko mówiąc, szybkość, z jaką wodór jest stopiony we wnętrzu gwiazd (w celu wytworzenia helu), daje szacunkową górną granicę wieku 10 miliardów lat dla gromad kulistych - najstarszych gwiazd w galaktyce. Co więcej, w tym modelu nie mogła nastąpić żadna ewolucja na duże odległości - co oznaczałoby, że źródła radiowe - inaczej. kwazary lub aktywne jądra galaktyczne (AGN) - byłyby jednolite w całym Wszechświecie.
Oznaczałoby to również, że stała Hubble'a (obliczona na początku XX wieku) pozostanie stała. Model stanu ustalonego przewidywał również, że stałe tworzenie antymaterii i neutronów spowoduje regularne anihilacje i rozpad neutronów, prowadząc w ten sposób do istnienia tła promieniowania gamma i gorącego gazu emitującego promieniowanie rentgenowskie w całym Wszechświecie.
Big Bang za zwycięstwo
Jednak ciągłe obserwacje w latach 50. i 60. XX wieku stale prowadziły do gromadzenia dowodów przeciwko hipotezie stanu ustalonego. Obejmowały one odkrycie jasnych źródeł radiowych (inaczej kwazarów i galaktyk radiowych), które zostały odkryte w odległych galaktykach, ale nie w tych najbliższych nam - wskazując, że wiele galaktyk z czasem stało się „cicho radioaktywnych”.
Do 1961 r. Badania źródeł radiowych umożliwiły przeprowadzenie analiz statystycznych, co wykluczało możliwość równomiernego rozmieszczenia jasnych galaktyk radiowych. Innym ważnym argumentem przeciwko hipotezie stanu ustalonego było odkrycie kosmicznego tła mikrofalowego (CMB) w 1964 r., Które przewidywał model Big Bang.
W połączeniu z brakiem tła promieniowania gamma i przenikających chmur gazu emitującego promieniowanie rentgenowskie, model Big Bang stał się powszechnie akceptowany w latach 60. Do lat 90. obserwacje z Kosmiczny teleskop Hubble a inne obserwatoria odkryły również, że ekspansja kosmiczna nie była spójna w czasie. W ciągu ostatnich trzech miliardów lat przyspieszyła.
Doprowadziło to do kilku udoskonaleń stałej Hubble'a. Na podstawie danych zebranych przez sondę mikrofalową anizotropii Wilkinsona (WMAP), obecnie szacuje się, że szybkość ekspansji kosmicznej wynosi między 70 a 73,8 km / s na Mpc (43,5 do 46 mps na Mpc) z 3% marginesem błędu. Wartości te są znacznie bardziej zgodne z obserwacjami, które ustalają, że wiek Wszechświata wynosi około 13,8 miliarda lat.
Nowoczesne warianty
Począwszy od 1993 r. Fred Hoyle i astrofizycy Geoffrey Burbidge i Jayant V. Narlikar zaczęli publikować serię badań, w których zaproponowali nową wersję hipotezy Steady State. Odmiana ta, znana jako hipoteza quasi-ustalonego stanu (QSS), próbowała wyjaśnić zjawiska kosmologiczne, których nie uwzględniała stara teoria.
Model ten sugeruje, że Wszechświat jest wynikiem kieszeni stworzenia (zwanych także mini-hukami) zachodzących w ciągu wielu miliardów lat. Model ten został zmodyfikowany w odpowiedzi na dane, które pokazały, jak przyspiesza tempo ekspansji Wszechświata. Pomimo tych modyfikacji społeczność astronomiczna nadal uważa, że Wielki Wybuch jest najlepszym modelem do wyjaśnienia wszystkich obserwowalnych zjawisk.
Dziś model ten jest znany jako model Lambda-Cold Dark Matter (LCDM), który łączy obecne teorie o ciemnej materii i ciemnej energii z teorią Wielkiego Wybuchu. Mimo to niektórzy astrofizycy i kosmolodzy popierają hipotezę stanu ustalonego (i jej warianty). I nie jest to jedyna alternatywa dla kosmologii Big Bang…
W Space Magazine napisaliśmy wiele artykułów na temat kosmologii. Oto czym jest wszechświat, teoria wielkiego podrywu: ewolucja naszego wszechświata, czym jest teoria wszechświata oscylującego ?, czym jest Big Rip ?, czym jest teoria wieloświatowa ?, czym jest teoria superstrun ?, co to jest kosmiczne tło mikrofalowe? , The Big Crunch: The End of Our Universe ?, What is the Big Freeze ?, oraz Cosmology 101: The End.
Astronomia Obsada także kilka ciekawych odcinków na ten temat. Oto odcinek 5: Wielki wybuch i kosmiczne tło mikrofalowe, odcinek 6: Więcej dowodów na wielki wybuch, odcinek 79: Jak duży jest wszechświat ?, Odcinek 187: Historia astronomii, Część 5: XX wiek i Odcinek 499: Jakie jest proponowane prawo Hubble'a-Lemaitre'a ?.
Źródła:
- Wikipedia - zasada kosmologiczna
- Wikipedia - hipoteza stanu ustalonego
- Idee kosmologii - Wielki Wybuch czy stan ustalony?
- Encyklopedia Britannica - Teoria stanu ustalonego
- Astronomia i astrofizyka UBC - podstawowe zagadnienia w kosmologii
- „Nowy model rozszerzającego się wszechświata”, Hoyle, F. MNRAS, vol. 108, nr 372 (1948)
- „Quasi-stan ustalony i powiązane modele kosmologiczne: przegląd historyczny”, Kragh. H. (2012)
- „Teoria stanu stacjonarnego rozszerzającego się wszechświata”, MNRAS, vol. 108, s. 1 252 (1948)
- „Teoria stanu stacjonarnego Einsteina: porzucony model kosmosu”, The European Physical Journal H, t. 39, str. 353–367 (2014)
- „Kosmiczny model quasi-ustalonego stanu z tworzeniem materii”, Hoyle, F .; Burbidge, G .; Narlikar, J. V., Astrophysical Journal v. 410, str. 437 (1993)
