Runājot par mūsu kosmisko izcelsmi, vairākas vēstures gaitā ir attīstītas vairākas teorijas. Burtiski katrai kultūrai, kas jebkad pastāvējusi, ir bijusi sava mitoloģiskā tradīcija, kas, protams, ietvēra arī radīšanas stāstu. Ar zinātniskās tradīcijas dzimšanu zinātnieki sāka saprast Visumu fizisko likumu ziņā, kurus varēja pārbaudīt un pierādīt.
Ar kosmosa laikmeta sākumu zinātnieki sāka pārbaudīt kosmoloģiskās teorijas novērojamo parādību izteiksmē. No tā visa 20. gadsimta otrajā pusē parādījās vairākas teorijas, kas mēģināja izskaidrot, kā radās visa matērija un fiziskie likumi, kas to regulēja. No tiem Lielā sprādziena teorija joprojām ir visplašāk pieņemtā, kamēr vienmērīga stāvokļa hipotēze vēsturiski ir bijusi tā lielākā izaicinātāja.
Stacionārā stāvokļa modelī teikts, ka matērijas blīvums paplašinošajā Visumā laika gaitā nemainās, jo matērija tiek nepārtraukti radīta. Citiem vārdiem sakot, novērotais Visums būtībā paliek tāds pats neatkarīgi no laika vai vietas. Tas krasi kontrastē ar teoriju, ka matērijas lielākā daļa tika radīta vienā notikumā (Lielais sprādziens) un kopš tā laika ir paplašinājusies.
Izcelsme
Kaut arī stabila un nemainīga Visuma jēdziens ir ticis izmantots visā vēsturē, zinātnieki sāka to interpretēt astrofizikā tikai agrīnajā mūsdienu periodā. Pirmais skaidrais piemērs tam, kāpēc tiek strīdēts astronomijas un kosmoloģijas kontekstā, bija Īzaka Ņūtona Dabas filozofijas matemātiskie principi (Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica) publicēts 1687. gadā.
Ņūtona magnum opusā viņš konceptualizēja Visumu ārpus Saules sistēmas kā tukšu vietu, kas visos virzienos vienmērīgi izpletās līdz neizmērojamiem attālumiem. Ar matemātisko pierādījumu un novērojumu palīdzību viņš arī paskaidroja, ka visas kustības un dinamika šajā sistēmā tika izskaidrotas, izmantojot vienotu universālās gravitācijas principu.
Tomēr tas, ko varētu dēvēt par līdzsvara stāvokļa hipotēzi, radās tikai līdz 20. gadsimta sākumam. Šo kosmoloģisko modeli iedvesmoja vairāki atklājumi, kā arī atklājumi teorētiskās fizikas jomā. To skaitā bija Alberta Einšteina vispārējās relativitātes teorija un Edvina Habla novērojumi, ka Visums atrodas paplašināšanās stāvoklī.
Einšteins formalizēja šo teoriju līdz 1915. gadam pēc tam, kad nolēma paplašināt savu īpašās relativitātes teoriju, iekļaujot smagumu. Galu galā šī teorija apgalvo, ka matērijas un enerģijas gravitācijas spēks tieši maina kosmosa laika izliekumu ap to. Vai kā slavens teorētiskais fiziķis Džons Rīlers to apkopoja, “telpas laiks nosaka, kā jāpārvietojas; matērija norāda telpas laiku, kā izliekties. ”
Līdz 1917. gadam teorētiskie aprēķini, kuru pamatā bija Einšteina lauka vienādojumi, parādīja, ka Visumam jābūt vai nu paplašināšanās, vai saraušanās stāvoklī. Līdz 1929. gadam Džordža Lemaitre (kurš ierosināja Lielā sprādziena teoriju) un Edvīna Habla (izmantojot 100 collu Hūkera teleskopu Vilsona kalna observatorijā) novērojumi parādīja, ka pēdējais ir noticis.
Balstoties uz šīm atklāsmēm, 30. gados sākās debates par Visuma iespējamo izcelsmi un patieso dabu. No vienas puses, bija tādi, kas apgalvoja, ka Visums ir ierobežots vecumā un laika gaitā attīstījās, atdziestot, paplašinoties un veidojot struktūras gravitācijas sabrukuma dēļ. Šī teorija satīriski tika nosaukta par Fred Hoyle “Lielo sprādzienu”, un nosaukums iestrēga.
Tikmēr vairums astronomu tolaik uzskatīja par teoriju, ka, kamēr novērojamais Visums paplašinās, tas tomēr nemainās matērijas blīvuma ziņā. Īsāk sakot, šīs teorijas piekritēji apgalvoja, ka Visumam nav ne sākuma, ne beigu, un šī matērija tiek nepārtraukti radīta laika gaitā - ar ātrumu viens ūdeņraža atoms uz kubikmetru uz 100 miljardiem gadu.
Šī teorija paplašināja arī Einšteina kosmoloģisko principu, aka. Kosmoloģiskais konstants (CC), ko Einšteins ierosināja 1931. gadā. Pēc Einšteina teiktā, šis spēks bija atbildīgs par “gravitācijas kavēšanu” un par to, lai Visums saglabātu stabilu, viendabīgumu un izotropisku lieluma struktūras ziņā.
Pārveidojot šo principu un paplašinot to, Steady State skolas locekļi apgalvoja, ka tieši nepārtraukta matērijas radīšana nodrošina, ka Visuma struktūra laika gaitā paliek nemainīga. Citādi to sauc par perfektu kosmoloģisko principu, kas apstiprina līdzsvara stāvokļa hipotēzi.
Līdzsvara stāvokļa teorija kļuva plaši pazīstama līdz 1948. gadam, publicējot divus rakstus: angļu astronoma Freda Hoila “Jauns modelis paplašināmajam visumam” un Lielbritānijas un Austrijas astrofiziķa “Stingrā stāvokļa teorija un paplašināmais universs”. Hermaņa Bondi un Tomasa Gold kosmologu komanda.
Galvenie argumenti un prognozes
Argumenti par labu līdzsvara stāvokļa hipotēzei ietver acīmredzamo laika mēroga problēmu, ko rada novērotais kosmiskās izplešanās ātrums (pazīstams arī kā Habla konstante vai Habla-Lemaitre likums). Balstoties uz Habla novērojumiem par tuvējām galaktikām, viņš aprēķināja, ka Visums izplešas ar ātrumu, kas sistemātiski palielinājās līdz ar attālumu.
Tas radīja domu, ka Visums sāka izplesties no daudz mazāka kosmosa apjoma. Ja nav paātrinājuma / palēnināšanās - 500 km / s uz Megaparsec (310 mps uz Mpc) - Habla konstante nozīmēja, ka visa matērija ir paplašinājusies apmēram 2 miljardus gadu - kas arī būtu Visuma augšējais vecums.
Šis atradums tika pretrunā ar radioaktīvo iepazīšanos, kurā zinātnieki izmērīja urāna-238 un plutonija-205 atradņu samazinājuma ātrumu akmeņu paraugos. Izmantojot šo metodi, tika lēsts, ka vecākie iežu paraugi (kuru izcelsme bija Mēness) bija 4,6 miljardi gadu veci. Vēl viena neatbilstība parādījās zvaigžņu evolūcijas teorijas rezultātā.
Īsāk sakot, ātrums, ar kādu ūdeņradis tiek sakausēts zvaigžņu iekšpusē (lai izveidotu hēliju), iegūst globālā kopu - vecāko galaktiku zvaigžņu - vecuma augstāko novērtējumu par 10 miljardiem gadu. Turklāt šajā modelī nevarēja notikt evolūcija lielos attālumos - tas nozīmētu, ka radio avoti - aka. kvazāri vai aktīvie galaktiskie kodoli (AGN) - būtu vienoti visā Visumā.
Tas arī nozīmētu, ka Habla konstante (kā aprēķināts 20. gadsimta sākumā) paliks nemainīga. Steady-State modelis arī paredzēja, ka vienmērīga antimateriāla un neitronu radīšana izraisīs regulāru iznīcināšanu un neitronu sabrukšanu, tādējādi novedot pie gamma staru fona un karstu, rentgena starojumu izstarojošas gāzes klātbūtnes visā Visumā.
Lielais sprādziens laimestam
Tomēr notiekošie novērojumi piecdesmitajos un sešdesmitajos gados stabili noveda pie pierādījumu uzkrāšanās pret līdzsvara stāvokļa hipotēzi. Tie ietvēra spilgtu radio avotu (aka. Kvazāri un radio galaktikas) atklāšanu, kas tika atklāti attālās galaktikās, bet ne tām, kas atrodas mums vistuvāk, norādot, ka laika gaitā daudzas galaktikas kļuva “klusas radio”.
Līdz 1961. gadam radio avotu apsekojumi ļāva veikt statistiskās analīzes, kas izslēdza iespēju, ka spilgtas radio galaktikas ir vienmērīgi sadalītas. Vēl viens būtisks arguments pret līdzsvara stāvokļa hipotēzi bija kosmiskā mikroviļņu fona (CMB) atklāšana 1964. gadā, ko paredzēja Lielā sprādziena modelis.
Apvienojumā ar gamma staru fona trūkumu un caurspīdīgiem rentgena starojuma gāzes mākoņiem, Lielā sprādziena modelis kļuva plaši pieņemts 1960. gados. Līdz 1990. gadiem novērojumi ar Habla kosmiskais teleskops un citi novērošanas centri arī atklāja, ka kosmiskā izplešanās laika gaitā nav bijusi konsekventa. Pēdējo trīs miljardu gadu laikā tas faktiski ir paātrinājies.
Tas noveda pie vairākiem Habla konstantes uzlabojumiem. Balstoties uz Wilkinson mikroviļņu anizotropijas zondes (WMAP) apkopotajiem datiem, kosmiskās izplešanās ātrums pašlaik tiek lēsts no 70 līdz 73,8 km / s uz Mpc (43,5 līdz 46 mps uz Mpc) ar 3% kļūdas robežu. Šīs vērtības daudz vairāk atbilst novērojumiem, kas norāda, ka Visuma vecums ir aptuveni 13,8 miljardi gadu.
Mūsdienu varianti
Sākot no 1993. gada, Freds Hoils un astrofiziķi Džefrijs Burbidžs un Džeians V. Narlikārs sāka publicēt pētījumu sēriju, kurā viņi ierosināja jaunu līdzsvara stāvokļa hipotēzes versiju. Pazīstama kā kvazi-vienmērīga stāvokļa hipotēze (QSS), šī variācija mēģināja izskaidrot kosmoloģiskas parādības, kuras vecā teorija neņēma vērā.
Šis modelis liek domāt, ka Visums ir radīšanas kabatas (aka. Mini-bangs) rezultāts daudzu miljardu gadu laikā. Šis modelis tika modificēts, reaģējot uz datiem, kas parādīja, kā Visuma paplašināšanās ātrums paātrinās. Neskatoties uz šīm modifikācijām, astronomiskā kopiena joprojām uzskata Lielo sprādzienu par labāko paraugu visu novēroto parādību izskaidrošanai.
Mūsdienās šis modelis ir pazīstams kā Lambda-Cold Dark Matter (LCDM) modelis, kurā ir iekļautas pašreizējās teorijas par Dark Matter un Dark Energy ar Lielā sprādziena teoriju. Neskatoties uz to, daži astrofiziķi un kosmologi joprojām atbalsta līdzsvara stāvokļa hipotēzi (un tās variantus). Un tā nav vienīgā lielā sprādziena kosmoloģijas alternatīva…
Mēs šeit esam rakstījuši daudzus kosmoloģijas rakstus Space Magazine. Lūk, kas ir Visums, lielā sprādziena teorija: mūsu Visuma evolūcija, kāda ir svārstīgo Visuma teorija ?, kas ir lielais pārrāvums ?, kas ir Multiverse teorija ?, kas ir Superstring teorija ?, Kas ir kosmiskā mikroviļņu fons? , Lielā drūzma: mūsu Visuma beigas ?, Kas ir lielā iesaldēšana ?, un Kosmoloģija 101: beigas.
Astronomija Liec arī dažas interesantas epizodes par šo tēmu. Šeit ir 5. epizode: lielais sprādziens un kosmiskais mikroviļņu fons, 6. epizode: vairāk pierādījumu par lielo sprādzienu, 79. epizode: cik liels ir Visums ?, 187. epizode: astronomijas vēsture, 5. daļa: 20. gadsimts un 499. epizode: Kāds ir ierosinātais Habla-Lemaitre likums ?.
Avoti:
- Wikipedia - kosmoloģiskais princips
- Wikipedia - līdzsvara stāvokļa hipotēze
- Kosmoloģijas idejas - lielais sprādziens vai līdzsvara stāvoklis?
- Enciklopēdija Britannica - līdzsvara stāvokļa teorija
- UBC astronomija un astrofizika - kosmoloģijas pamatjautājumi
- “Jauns modelis paplašināmajam Visumam,” Hoyle, F. MNRAS, vol. 108, nē. 372 (1948. g.)
- “Gandrīz vienmērīgs stāvoklis un ar to saistīti kosmoloģiskie modeļi: vēsturisks pārskats,” Krags. H. (2012)
- “Izplešanās Visuma līdzsvara stāvokļa teorija”, MNRAS, 3. sēj. 108. lpp. 252 (1948. g.)
- “Einšteina līdzsvara stāvokļa teorija: pamests kosmosa modelis,” The European Physical Journal H, vol. 39, lpp. 353-367 (2014)
- “Kvazi-vienmērīga stāvokļa kosmoloģiskais modelis ar radīšanu,” Hoyle, F .; Burbidža, G .; Narlikar, J. V., Astrophysical Journal pret 410. lpp. 437 (1993)
