Kosmisen alkuperän suhteen useita teorioita on edistytty historian aikana. Kirjaimellisesti jokaisella kulttuurilla, joka on koskaan olemassa, on ollut oma mytologinen perinne, joka luonnollisesti sisälsi luomistarinan. Tieteellisen perinteen syntymän kanssa tutkijat alkoivat ymmärtää maailmankaikkeutta fyysisten lakien suhteen, jotka voitiin testata ja todistaa.
Avaruuskauden alkaessa tutkijat alkoivat testata kosmologisia teorioita havaittavissa olevien ilmiöiden suhteen. Kaikesta tästä 1900-luvun jälkipuoliskolla syntyi joukko teorioita, jotka yrittivät selittää kuinka kaikki aine ja sitä hallitsevat fyysiset lait tulivat. Näistä Big Bang Theory on edelleen yleisesti hyväksytty, kun taas vakaan tilan hypoteesi on historiallisesti ollut sen suurin haastaja.
Vakaan tilan malli toteaa, että aineen tiheys laajenevassa maailmankaikkeudessa pysyy muuttumattomana ajan myötä, koska aine jatkuvasti muodostuu. Toisin sanoen havaittavissa oleva maailmankaikkeus pysyy olennaisesti samana riippumatta ajasta tai paikasta. Tämä asettaa sen jyrkässä vastakohdassa teoriaan, jonka mukaan suurin osa aineesta luotiin yhdessä tapahtumassa (iso räjähdys) ja on laajentunut siitä lähtien.
Origins
Vaikka vakaan ja muuttumattoman maailmankaikkeuden käsite on omaksunut koko historian ajan, vasta varhaisessa uudessa vaiheessa tutkijat alkoivat tulkita tätä astrofysikaalisesti. Ensimmäinen selkeä esimerkki tästä väitteestä tähtitieteen ja kosmologian yhteydessä oli Isaac Newtonin teoksessa Luonnofilosofian matemaattiset periaatteet (Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica), julkaistu vuonna 1687.
Newtonin magnum opuksessa hän käsitteli aurinkokunnan ulkopuolella olevan maailmankaikkeuden tyhjänä tilana, joka ulottui tasaisesti kaikkiin suuntiin mittaamattomiin etäisyyksiin. Lisäksi hän selitti matemaattisten todisteiden ja havaintojen avulla, että kaikki järjestelmän liikkeet ja dynamiikka selitettiin yhden universaalin painovoiman periaatteella.
Se, mikä kutsutaan vakaan tilan hypoteesiksi, syntyi vasta 1900-luvun alkupuolella. Tämä kosmologinen malli on inspiroinut useita löytöjä sekä läpimurtoja teoreettisen fysiikan alalla. Niihin sisältyivät Albert Einsteinin teoria yleisestä suhteellisuudesta ja Edwin Hubblen havainnot, että maailmankaikkeus on laajenemisessa.
Einstein virallisti tämän teorian vuoteen 1915 mennessä, kun päätti laajentaa erikoissuhteellisuusteoriansa sisällyttääkseen painovoiman. Viime kädessä tämä teoria toteaa, että aineen ja energian painovoima muuttaa suoraan sen ympärillä olevan avaruuden ajan kaarevuutta. Tai kuten kuuluisa teoreettinen fyysikko John Wheeler tiivisti sen, ”avaruus-aika kertoo kuinka liikkua; asia kertoo avaruus-ajasta, kuinka käyrätetään. ”
Vuoteen 1917 mennessä Einsteinin kenttäyhtälöihin perustuvat teoreettiset laskelmat osoittivat, että maailmankaikkeuden oli oltava joko laajenemis- tai supistustilassa. Vuoteen 1929 George Lemaitre (joka ehdotti Big Bang Theory) ja Edwin Hubble (käyttämällä 100-tuumaista Hooker-kaukoputkea Mount Wilsonin observatoriossa) havainnot osoittivat, että jälkimmäinen oli kyse.
Näiden paljastusten perusteella alkoi 1930-luvulla alkanut keskustelu maailmankaikkeuden mahdollisesta alkuperästä ja todellisesta luonteesta. Toisella puolella oli niitä, jotka väittivät, että maailmankaikkeus oli rajallinen iässä ja että se kehittyi ajan myötä jäähtymisen, laajenemisen ja rakenteiden muodostumisen kautta painovoiman romahtamisen vuoksi. Fred Hoyle nimitti tämän teorian satiirisesti ”Big Bangiksi” ja nimi pysyi kiinni.
Samaan aikaan suurin osa tähtitieteilijöistä piti tuolloin teoriaa, että vaikka havaittavissa oleva maailmankaikkeus laajenee, se ei kuitenkaan muutu aineen tiheyden suhteen. Lyhyesti sanottuna tämän teorian kannattajat väittivät, että maailmankaikkeudella ei ole alkua, loppua ja että ainetta luodaan jatkuvasti ajan myötä - nopeudella yksi vetyatomi kuutiometriä kohti 100 miljardia vuotta.
Tämä teoria laajensi myös Einsteinin kosmologista periaatetta. Kosmologinen vakio (CC), jonka Einstein ehdotti vuonna 1931. Einsteinin mukaan tämä voima oli vastuussa painovoiman pidättämisestä ja sen varmistamisesta, että maailmankaikkeus pysyi vakaana, homogeenisena ja isotrooppisena suuren mittakaavan rakenteensa suhteen.
Muuttamalla tätä periaatetta ja laajentamalla sitä, tasapainossa olleen koulukunnan jäsenet väittivät, että aineen jatkuva luominen takasi sen, että maailmankaikkeuden rakenne pysyi samana ajan myötä. Tätä kutsutaan muuten täydelliseksi kosmologiseksi periaatteeksi, joka vahvistaa vakaan tilan hypoteesin.
Vakaan tilan teoria tuli laajasti tunnetuksi vuoteen 1948 mennessä, kun julkaistiin kaksi artikkelia: Englannin tähtitieteilijän Fred Hoylen "Uusi malli laajenevalle maailmankaikkeudelle" ja britti-itävaltalaisen astrofysiikan tutkija "Vakaan tilan teoria ja laajeneva maailmankaikkeus". ja kosmologiryhmä Hermann Bondi ja Thomas Gold.
Keskeiset perustelut ja ennusteet
Vakaan tilan hypoteesia tukevia väitteitä ovat ilmeinen aikatauluongelma, jonka herättää havaittu kosmisen laajentumisnopeus (tunnetaan myös nimellä Hubble-vakio tai Hubble-Lemaitre -laki). Hubblen havaintojen perusteella lähellä olevista galakseista hän laski, että maailmankaikkeus kasvaa nopeudella, joka kasvoi systemaattisesti etäisyyden myötä.
Tämä johti ajatukseen, että maailmankaikkeus alkoi laajentua paljon pienemmästä tilavuudesta. Kiihtyvyyden / hidastumisen puuttuessa - 500 km / s per megaparsec (310 mps / mpc) - Hubble-vakio tarkoitti, että kaikki aine on laajentunut noin 2 miljardia vuotta - mikä olisi myös maailmankaikkeuden ylin ikä.
Tätä havaintoa ristiriidassa radioaktiivisten seurustelujen kanssa, joissa tutkijat mittasivat uraani-238: n ja plutonium-205: n saostumien rappeutumisnopeutta kallionäytteissä. Tätä menetelmää käytettäessä vanimpien kivinäytteiden (jotka olivat kuun alkuperää) arvioitiin olevan 4,6 miljardia vuotta vanhoja. Toinen epäjohdonmukaisuus ilmeni tähtien evoluutioteorian tuloksena.
Lyhyesti sanottuna nopeus, jolla vety fuusioituu tähtien sisätiloihin (heliumin luomiseksi), antaa globaalien klustereiden - galaksin vanhimpien tähtien - ikäennusteen 10 miljardia vuotta. Lisäksi tässä mallissa ei olisi voinut tapahtua suurta etäisyyttä - mikä tarkoittaisi radiolähteitä - eli. kvaasarit tai aktiiviset galaktiset ytimet (AGN) - olisivat yhtenäisiä koko maailmankaikkeudessa.
Se tarkoittaisi myös, että Hubble-vakio (laskettuna 1900-luvun alkupuolella) pysyisi vakiona. Vakaan tilan malli ennusti myös, että antimaterian ja neutronien tasainen luominen johtaisi säännölliseen tuhoamiseen ja neutronien rappeutumiseen, mikä johtaisi gammasäteen taustan ja kuuman, röntgensäteitä säteilevän kaasun olemassaoloon kaikkialla maailmankaikkeudessa.
Big Bang voitolle
Jatkuvat havainnot 1950- ja 1960-luvuilla johtivat kuitenkin tasaisesti todisteiden muodostumiseen vakaan tilan hypoteesia vastaan. Näihin kuuluivat kirkkaiden radiosähteiden (alias. Kvasaarit ja radiogalaksit) löytäminen, jotka löydettiin kaukaisista galakseista, mutta ei meille lähimmissä -, mikä osoitti, että monista galakseista tuli "radio-hiljaisia" ajan myötä.
Vuonna 1961 radiolähteiden tutkimukset mahdollistivat tilastollisten analyysien tekemisen, mikä sulki pois mahdollisuuden, että kirkkaat radiogalaksit jakautuvat tasaisesti. Toinen tärkeä argumentti vakaan tilan hypoteesia vastaan oli kosmisen mikroaaltotaustan (CMB) löytäminen vuonna 1964, jonka Big Bang -malli ennusti.
Yhdistettynä gamma-taustan ja röntgensäteitä säteilevän kaasun pilvien puutteeseen, Big Bang -malli tuli laajalti hyväksyttäväksi 1960-luvulla. 1990-luvulle mennessä havainnot Hubble-avaruuskaukoputki ja muut observatoriat havaitsivat myös, että kosminen laajentuminen ei ole ollut johdonmukaista ajan kuluessa. Tosiasiassa se on kiihtynyt viimeisen kolmen miljardin vuoden aikana.
Tämä on johtanut useisiin Hubble-vakion tarkennuksiin. Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) -keräimellä kerättyjen tietojen perusteella kosmisen laajentumisnopeuden arvioidaan olevan tällä hetkellä välillä 70–73,8 km / s / mpc (43,5–46 mps / mpc) 3%: n virhemarginaalilla. Nämä arvot ovat paljon yhdenmukaisempia havaintojen kanssa, joiden mukaan maailmankaikkeuden ikä on noin 13,8 miljardia vuotta.
Modernit variantit
Vuodesta 1993 lähtien Fred Hoyle ja astrofysiikit Geoffrey Burbidge ja Jayant V. Narlikar aloittivat tutkimussarjan julkaisemisen, jossa he ehdottivat uutta versiota vakaan tilan hypoteesista. Kvasi-tasapainotilahypoteesina (QSS) tunnettu variaatio yritti selittää kosmologisia ilmiöitä, joita vanha teoria ei ottanut huomioon.
Tämä malli viittaa siihen, että maailmankaikkeus on seurausta monien miljardien vuosien aikana tapahtuneista luomistaskuista (alias.). Tätä mallia muokattiin vastauksena tietoihin, jotka osoittivat, kuinka maailmankaikkeuden laajentumisnopeus kiihtyy. Näistä muutoksista huolimatta, tähtitieteellinen yhteisö pitää Big Bangia parhaana mallina kaikkien havaittavien ilmiöiden selittämiselle.
Tätä mallia kutsutaan nykyään nimellä Lambda-Cold Dark Matter (LCDM), joka sisältää nykyiset teoriat pimeästä aineesta ja pimeästä energiasta Big Bang -teorian kanssa. Tästä huolimatta jotkut astrofysiikot ja kosmologit kannattavat vakaan tilan hypoteesia (ja sen variantteja). Eikä se ole ainoa vaihtoehto Big Bang -kosmologialle ...
Olemme kirjoittaneet monia kosmologiaartikkeleita täällä Space Magazine -lehdessä. Tässä on Mikä on maailmankaikkeus, Big Bang -teoria: Universumimme evoluutio, Mikä on värähtelevän maailmankaikkeuden teoria ?, Mikä on iso rippaus ?, Mikä on Multiverse-teoria ?, Mikä on Superstring-teoria ?, Mikä on kosminen mikroaaltouuni? , The Big Crunch: Universumin loppumme ?, Mikä on iso jäätyminen ?, ja Cosmology 101: The End.
Tähtitiede Ohjaa myös mielenkiintoisia jaksoja aiheesta. Tässä on jakso 5: iso räjähdys ja kosminen mikroaaltouuni, jakso 6: Lisää todisteita isosta isosta, jakso 79: Kuinka suuri on maailmankaikkeus ?, jakso 187: Tähtitieteen historia, osa 5: 1900-luku ja jakso 499: Mikä on ehdotettu Hubble-Lemaitre -laki ?.
Lähteet:
- Wikipedia - kosmologinen periaate
- Wikipedia - vakaan tilan hypoteesi
- Kosmologian ideoita - iso paine vai tasapainoinen tila?
- Encyclopedia Britannica - vakaan tilan teoria
- UBC-tähtitiede ja astrofysiikka - kosmologian perustekijät
- ”Uusi malli laajenevaan maailmankaikkeuteen”, Hoyle, F. MNRAS, voi. 108, ei. 372 (1948)
- ”Kvasivakaa ja siihen liittyvät kosmologiset mallit: historiallinen katsaus”, Kragh. H. (2012)
- “Laajentuvan maailmankaikkeuden vakaan tilan teoria”, MNRAS, voi. 108, s. 252 (1948)
- ”Einsteinin vakaan tilan teoria: hylätty malli kosmosta”, The European Physical Journal H, voi. 39, s. 353-367 (2014)
- "Kvasivakaassa tilassa oleva kosmologinen malli aineen luomisella", Hoyle, F .; Burbidge, G .; Narlikar, J. V., Astrophysical Journal v. 410, p. 437 (1993)
