История теории Большого взрыва
| Часть серии о |
| Физическая космология |
|---|
 |
История теории Большого взрыва началась с ее развития на основе наблюдений и теоретических соображений. Большая часть теоретических работ в космологии сейчас включает расширения и уточнения базовой модели Большого взрыва. Сама теория была первоначально формализована отцом Жоржем Леметром в 1927 году. [1] Закон Хаббла о расширении Вселенной обеспечил фундаментальную поддержку теории.
Философия и средневековый финитизм темпоральный
В средневековой философии было много споров о том, имела ли Вселенная конечное или бесконечное прошлое (см. Временной финитизм ). Философия Аристотеля утверждала, что Вселенная имела бесконечное прошлое, что создавало проблемы для еврейских и исламских философов прошлого , которые не могли примирить аристотелевскую концепцию вечного с авраамическим взглядом на творение . [2] разработали множество логических аргументов в пользу того, что Вселенная имела конечное прошлое . В результате Иоанн Филопон , Аль-Кинди , Саадия Гаон , Аль-Газали и Иммануил Кант , среди других, [3]
Английский богослов Роберт Гроссетест исследовал природу материи и космоса в своем трактате 1225 года « Де Люс» ( «О свете »). Он описал рождение Вселенной в результате взрыва и кристаллизацию материи с образованием звезд и планет в наборе вложенных друг в друга сфер вокруг Земли. Де Люс — это первая попытка описать небо и Землю, используя единый набор физических законов. [4]
В 1610 году Иоганн Кеплер использовал темное ночное небо, чтобы доказать, что Вселенная конечна. Семьдесят семь лет спустя Исаак Ньютон описал крупномасштабное движение во Вселенной.
Описание Вселенной, которая циклически расширяется и сжимается, было впервые предложено в стихотворении Эразма Дарвина, опубликованном в 1791 году . Эдгар Аллан По представил аналогичную циклическую систему в своем эссе 1848 года под названием «Эврика: стихотворение в прозе» ; это явно не научная работа, но По, исходя из метафизических принципов, пытался объяснить Вселенную, используя современные физические и умственные знания. Игнорируемый научным сообществом и часто неправильно понимаемый литературными критиками, его научные последствия в последнее время были переоценены.
По словам По, первоначальным состоянием материи была одна «первичная частица». «Божественная Воля», проявившая себя как отталкивающая сила, раздробила Первичную Частицу на атомы. Атомы равномерно распространяются по пространству, пока сила отталкивания не прекратится, и в качестве реакции не возникнет притяжение: тогда материя начинает слипаться, образуя звезды и звездные системы, в то время как материальная вселенная снова стягивается гравитацией, наконец сжимаясь и заканчивая возвращением в исходное состояние. Стадия Первичной Частицы, чтобы снова начать процесс отталкивания и притяжения. Эта часть «Эврики» описывает ньютоновскую развивающуюся Вселенную, которая имеет ряд общих свойств с релятивистскими моделями, и по этой причине По предвосхищает некоторые темы современной космологии. [5]
20 века разработки начала Научные
Путем наблюдений в 1910-х годах Весто Слайфер , а позже Карл Вильгельм Виртц определили, что большинство спиральных туманностей (ныне называемых спиральными галактиками ) удаляются от Земли. Слайфер использовал спектроскопию для исследования периодов вращения планет, состава планетных атмосфер и первым наблюдал лучевые скорости галактик. Вирц наблюдал систематическое красное смещение туманностей, которое было трудно интерпретировать с точки зрения космологии, в которой Вселенная более или менее равномерно заполнена звездами и туманностями. Они не знали ни о космологических последствиях, ни о том, что предполагаемые туманности на самом деле были галактиками за пределами нашего Млечного Пути . [6]
Также в то же десятилетие было обнаружено, относительности Альберта Эйнштейна теория что общая не допускает статических космологических решений , учитывая основные предположения космологии, описанные в теоретической основе Большого взрыва . Вселенная (т.е. метрика пространства-времени) описывалась метрическим тензором , который либо расширялся, либо сжимался (т.е. не был постоянным или инвариантным). Этот результат, полученный в результате оценки уравнений поля общей теории, сначала заставил самого Эйнштейна подумать, что его формулировка уравнений поля общей теории может быть ошибочной, и он попытался исправить ее, добавив космологическую постоянную . Эта константа восстановила бы в описании пространства-времени общей теорией инвариантный метрический тензор для ткани пространства/существования. Первым человеком, который серьезно применил общую теорию относительности к космологии без стабилизирующей космологической постоянной, был Александр Фридман . Фридман получил решение уравнений поля общей теории относительности с помощью расширяющейся Вселенной в 1922 году. Среди статей Фридмана 1924 года были: мира с постоянной отрицательной кривизной . О возможности , опубликованной Берлинской академией наук 7 января 1924 года [7] Уравнения Фридмана описывают вселенную Фридмана – Леметра – Робертсона – Уокера .
В 1927 году бельгийский физик Жорж Леметр предложил расширяющуюся модель Вселенной для объяснения наблюдаемых красных смещений спиральных туманностей и рассчитал закон Хаббла . Он основал свою теорию на работах Эйнштейна и Де Ситтера и независимо вывел уравнения Фридмана для расширяющейся Вселенной. Кроме того, сами красные смещения не были постоянными, а менялись таким образом, что можно было прийти к выводу, что существует определенная связь между величиной красного смещения туманностей и их расстоянием от наблюдателей.
В 1929 году Эдвин Хаббл предоставил всеобъемлющую наблюдательную основу теории Леметра. Экспериментальные наблюдения Хаббла обнаружили, что относительно Земли и всех других наблюдаемых тел галактики удаляются во всех направлениях со скоростями (рассчитанными на основе их наблюдаемого красного смещения), прямо пропорциональными их расстоянию от Земли и друг от друга. В 1929 году Хаббл и Милтон Хьюмасон сформулировали эмпирический закон расстояния красного смещения галактик, ныне известный как закон Хаббла . изотропно расширяющаяся Вселенная. Закон гласит, что чем больше расстояние между любыми двумя галактиками, тем больше их относительная скорость разделения. В 1929 году Эдвин Хаббл обнаружил, что большая часть Вселенной расширяется и удаляется от всего остального. Если все удаляется от всего остального, то следует думать, что когда-то все было ближе друг к другу. Логический вывод заключается в том, что в какой-то момент вся материя возникла из одной точки диаметром в несколько миллиметров, прежде чем взорваться наружу. Оно было настолько горячим, что в течение сотен тысяч лет, прежде чем материя смогла сформироваться, состояла только из сырой энергии. Что бы ни произошло, оно должно было высвободить непостижимую силу, поскольку Вселенная спустя миллиарды лет все еще расширяется. Теория, которую он разработал для объяснения того, что он обнаружил, называется теорией Большого взрыва. [ нужна ссылка ]
предположил В 1931 году Леметр в своей « гипотезе примитивного атома » (гипотезе первобытного атома) , что Вселенная началась с «взрыва» «первобытного атома » – того, что позже было названо Большим взрывом. Лемэтр сначала принял космические лучи за остатки этого события, хотя теперь известно, что они возникают в пределах местной галактики . Леметру пришлось подождать незадолго до своей смерти, чтобы узнать об открытии космического микроволнового фонового излучения — остаточного излучения плотной и горячей фазы ранней Вселенной. [8]
Теория большого взрыва против состояния теории устойчивого
Закон Хаббла предполагал, что Вселенная расширяется, что противоречит космологическому принципу , согласно которому Вселенная, если смотреть на достаточно большие расстояния, не имеет предпочтительных направлений или предпочтительных мест. Идея Хаббла позволила выдвинуть две противоположные гипотезы. Одним из них был «Большой взрыв» Леметра, пропагандируемый и развитый Джорджем Гамовым . Другой моделью была Фреда Хойла , теория устойчивого состояния согласно которой новая материя будет создаваться по мере удаления галактик друг от друга. В этой модели Вселенная примерно одинакова в любой момент времени. На самом деле именно Хойл придумал название теории Леметра, назвав ее «идеей «большого взрыва»» во время радиопередачи 28 марта 1949 года в BBC Третьей программе . Широко распространено мнение, что Хойл, который выступал за альтернативную космологическую модель « стационарного состояния », хотел, чтобы это было уничижительно, но Хойл открыто отрицал это и сказал, что это был просто поразительный образ, призванный подчеркнуть разницу между двумя моделями. [9] Хойл повторил этот термин в дальнейших передачах в начале 1950 года в рамках серии из пяти лекций под названием « Природа Вселенной» . Текст каждой лекции публиковался в The Listener через неделю после трансляции, когда термин «большой взрыв» впервые появился в печати. [10] По мере того, как накапливались доказательства в пользу модели Большого взрыва и консенсус становился широко распространенным, Хойл сам, хотя и с некоторой неохотой, признал это, сформулировав новую космологическую модель, которую другие ученые позже назвали «Устойчивым взрывом». [11]
1950-1990-е годы [ править ]
Примерно с 1950 по 1965 год поддержка этих теорий разделилась поровну, с небольшим дисбалансом, возникающим из-за того, что теория Большого взрыва могла объяснить как образование, так и наблюдаемое содержание водорода и гелия , тогда как устойчивое состояние могло объяснить, как они образовались, но не почему они должны иметь наблюдаемую численность. Однако данные наблюдений начали поддерживать идею о том, что Вселенная развилась из горячего и плотного состояния. Было замечено, что такие объекты, как квазары и радиогалактики, гораздо чаще встречаются на больших расстояниях (следовательно, в далеком прошлом), чем в близлежащей Вселенной, тогда как Устойчивое Состояние предсказывало, что средние свойства Вселенной должны оставаться неизменными со временем. Кроме того, открытие космического микроволнового фонового излучения в 1964 году считалось похоронным звоном устойчивого состояния, хотя это предсказание было только качественным и не смогло предсказать точную температуру реликтового излучения. (Ключевым предсказанием Большого взрыва является спектр черного тела реликтового излучения, который не был измерен с высокой точностью до COBE в 1990 году). После некоторых переформулировок Большой взрыв стал считаться лучшей теорией происхождения и эволюции космоса. До конца 1960-х годов многие космологи считали, что бесконечно плотная и Физически парадоксальной сингулярности в начальный момент космологической модели Фридмана можно было избежать, допустив, что Вселенная сжималась перед тем, как войти в горячее плотное состояние, и снова начинала расширяться. Это было формализовано как Ричарда Толмена колеблющаяся Вселенная . В шестидесятые годы Стивен Хокинг и другие продемонстрировали, что эта идея неработоспособна. [ нужна ссылка ] а сингулярность — существенная особенность физики, описываемой гравитацией Эйнштейна. Это привело к тому, что большинство космологов приняли идею о том, что Вселенная, описываемая в настоящее время физикой общей теории относительности, имеет конечный возраст. Однако из-за отсутствия теории квантовой гравитации невозможно сказать, является ли сингулярность фактической точкой происхождения Вселенной или же физические процессы, управляющие этим режимом, делают Вселенную фактически вечной по своему характеру.
В 1970-х и 1980-х годах большинство космологов признавали Большой взрыв, но оставалось несколько загадок, в том числе неоткрытие анизотропии реликтового излучения и случайные наблюдения, намекающие на отклонения от спектра черного тела; таким образом, теория не получила очень сильного подтверждения.
1990 г. и далее [ править ]
Огромные успехи в космологии Большого Взрыва были достигнуты в 1990-х и начале 21-го века в результате крупных достижений в технологии телескопов в сочетании с большими объемами спутниковых данных, таких как COBE , космический телескоп Хаббл и WMAP .
В 1990 году измерения со спутника COBE показали, что спектр реликтового излучения соответствует спектру черного тела с очень высокой точностью с температурой 2,725 К; отклонения не превышают 2 частей на 100 000 . Это показало, что более ранние утверждения о спектральных отклонениях были неверными, и, по сути, доказало, что в прошлом Вселенная была горячей и плотной, поскольку ни один другой известный механизм не может создать черное тело с такой высокой точностью. Дальнейшие наблюдения COBE в 1992 году обнаружили очень небольшую анизотропию реликтового излучения в больших масштабах, примерно такую, как предсказывали модели Большого взрыва с темной материей . С тех пор модели нестандартной космологии без той или иной формы Большого взрыва стали очень редки в ведущих астрономических журналах.
В 1998 году измерения далеких сверхновых показали, что расширение Вселенной ускоряется, и это было подтверждено другими наблюдениями, включая наземные наблюдения реликтового излучения и исследования красного смещения крупных галактик. В 1999–2000 годах были созданы аэростаты «Бумеранг» и «Максима».Наблюдения реликтового излучения показали, что геометрия Вселенной близка к плоской, тогда в 2001 г. 2dFGRS Исследование красного смещения галактик оценило среднюю плотность материи примерно в 25–30 процентов от критической плотности.
С 2001 по 2010 год WMAP космический корабль НАСА сделал очень подробные снимки Вселенной с помощью космического микроволнового фонового излучения. Изображения можно интерпретировать как указывающие на то, что Вселенной 13,7 миллиардов лет (с точностью до одного процента) и что модель Lambda-CDM и инфляционная теория верны. Никакая другая космологическая теория пока не может объяснить такой широкий диапазон наблюдаемых параметров, от соотношения содержаний элементов в ранней Вселенной до структуры космического микроволнового фона, наблюдаемого более высокого содержания активных галактических ядер в ранней Вселенной и наблюдаемых массы скоплений галактик .
В 2013 и 2015 годах космический корабль ЕКА « Планк» опубликовал еще более подробные изображения космического микроволнового фона, демонстрируя соответствие модели Lambda-CDM с еще более высокой точностью.
Большая часть текущих работ в области космологии включает понимание того, как формируются галактики в контексте Большого взрыва, понимание того, что произошло в самые ранние времена после Большого взрыва, и согласование наблюдений с базовой теорией. Космологи продолжают рассчитывать многие параметры Большого взрыва с новым уровнем точности и проводят более детальные наблюдения, которые, как надеются, дадут ключ к разгадке природы темной энергии и темной материи , а также проверят теорию общей теории относительности на планете. космических масштабов.
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ «Представлена теория большого взрыва – 1927 год» . Научная одиссея . ВГБХ . Проверено 13 сентября 2023 г.
- ^ Сеймур Фельдман (1967). «Доказательства Герсонида о сотворении Вселенной». Труды Американской академии еврейских исследований . 35 . Труды Американской академии еврейских исследований, Vol. 35: 113–137. дои : 10.2307/3622478 . JSTOR 3622478 .
- ^ Крейг, Уильям Лейн (июнь 1979 г.). «Уитроу и Поппер о невозможности бесконечного прошлого». Британский журнал философии науки . 30 (2): 165–170 [165–6]. дои : 10.1093/bjps/30.2.165 .
- ^ Маклиш, Том CB; Бауэр, Ричард Г.; Таннер, Брайан К.; Смитсон, Ханна Э.; Панти, Сесилия; Льюис, Нил; Гаспер, Джайлз EM (2014). «История: средневековая мультивселенная» (PDF) . Природа . 507 (7491): 161–163. дои : 10.1038/507161a . ПМИД 24627918 .
- ^ Каппи, Альберто (1994). «Физическая космология Эдгара Аллана По». Ежеквартальный журнал Королевского астрономического общества . 35 : 177–192. Бибкод : 1994QJRAS..35..177C .
- ^ «Большой взрыв: случайное доказательство | Science Illustrated» . Проверено 4 июля 2020 г.
- ^ Фридман, А. (1922). «О кривизне пространства». Журнал физики . 10 (1): 377–386. Бибкод : 1922ZPhy...10..377F . дои : 10.1007/BF01332580 . S2CID 125190902 . (Английский перевод: Gen. Rel. Grav. 31 (1999), 1991–2000 гг.) и Фридман, А. (1924). «О возможности мира с постоянной отрицательной кривизной пространства». Журнал физики . 21 (1): 326–332. Бибкод : 1924ZPhy...21..326F . дои : 10.1007/BF01328280 . S2CID 120551579 . (Английский перевод: Gen. Rel. Grav. 31 (1999), 2001–2008 гг.)
- ^ «Жорж Леметр, отец Большого взрыва» . Американский музей естественной истории. Архивировано из оригинала 17 января 2013 года.
- ^ Миттон, С. (2005). Фред Хойл: Жизнь в науке . Аурум Пресс . п. 127.
- ^ Эту книгу [больше нельзя] скачать здесь: [1]
- ^ Рис, М., Всего шесть минут, Orion Books, Лондон (2003), стр. 76
Дальнейшее чтение [ править ]
- Краг, Хельге (1999). Космология и полемика: историческое развитие двух теорий Вселенной . Издательство Принстонского университета. ISBN 978-0-691-00546-1 .
