История теории Большого взрыва - History of the Big Bang theory

Согласно модели Большого взрыва, Вселенная расширилась из чрезвычайно плотного и горячего состояния и продолжает расширяться сегодня. Распространенная аналогия объясняет, что само пространство расширяется, унося с собой галактики , как пятна на надувающемся воздушном шаре. Приведенная выше графическая схема представляет собой концепцию художника, иллюстрирующую расширение части плоской вселенной.

История теории Большого взрыва началась с Большого Взрыва развития «s из наблюдений и теоретических соображений. Большая часть теоретической работы в космологии сейчас включает в себя расширения и уточнения базовой модели Большого взрыва. Сама теория была первоначально формализована бельгийским католическим священником, математиком, астрономом и профессором физики Жоржем Лемэтром .

Философия и средневековый темпоральный финитизм

В средневековой философии было много споров о том, было ли прошлое у Вселенной конечным или бесконечным (см. Временной финитизм ). Философия Аристотеля утверждала, что Вселенная имела бесконечное прошлое, что создавало проблемы для средневековых еврейских и исламских философов , которые не могли примирить аристотелевскую концепцию вечного с авраамическим взглядом на мироздание . В результате, Джон Филопон , Аль-Кинди , Саадия Гаон , Аль-Газали и Иммануил Кант разработали множество логических аргументов в пользу конечного прошлого Вселенной .

В своем трактате 1225 года « De Luce»О свете» ) английский теолог Роберт Гроссетест исследовал природу материи и космоса. Он описал рождение Вселенной в результате взрыва и кристаллизацию материи с образованием звезд и планет во множестве вложенных сфер вокруг Земли. Де Люс - первая попытка описать небеса и Землю с помощью единого набора физических законов.

В 1610 году Иоганн Кеплер использовал темное ночное небо, чтобы отстаивать конечную вселенную. Семьдесят семь лет спустя Исаак Ньютон описал крупномасштабное движение во Вселенной.

Описание Вселенной, которая расширялась и сужалась циклически, впервые было выдвинуто в стихотворении, опубликованном в 1791 году Эразмом Дарвином . Эдгар Аллан По представил подобную циклическую систему в своем эссе 1848 года под названием « Эврика: поэма в прозе» ; очевидно, что это не научная работа, но По, исходя из метафизических принципов, пытался объяснить Вселенную, используя современные физические и ментальные знания. Игнорируемый научным сообществом и часто неправильно понимаемый литературными критиками, его научное значение в последнее время было переоценено.

Согласно По, исходное состояние материи было единственной «Изначальной Частицей». «Божественная воля», проявившаяся как сила отталкивания, раздробила Изначальную Частицу на атомы. Атомы равномерно распространяются по всему пространству, пока сила отталкивания не прекратится и притяжение не появится как реакция: затем материя начинает слипаться, образуя звезды и звездные системы, в то время как материальная вселенная снова притягивается друг к другу гравитацией, наконец коллапсирует и в конце концов возвращается в Стадия Изначальной Частицы, чтобы снова начать процесс отталкивания и притяжения. Эта часть «Эврики» описывает эволюционирующую Вселенную Ньютона, которая разделяет ряд свойств с релятивистскими моделями, и по этой причине По предвосхищает некоторые темы современной космологии.

Научные разработки начала 20 века

Наблюдательно, в 1910-х годах Весто Слайфер, а затем Карл Вильгельм Вирц определили, что большинство спиральных туманностей (теперь правильно называемых спиральными галактиками ) удаляются от Земли. Слайфер использовал спектроскопию для исследования периодов вращения планет, состава планетных атмосфер и был первым, кто 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 космологических последствий, ни того, что предполагаемые туманности на самом деле были галактиками за пределами нашего собственного Млечного Пути .

Кроме того, в этом десятилетии, Альберт Эйнштейн теория «s из общей теории относительности было обнаружено не допустить ни одного статического космологических решений , учитывая основные положения космологии , описанные в теоретической основе Большого Взрыва в . Вселенная (то есть метрика пространства-времени) описывалась метрическим тензором, который либо расширялся, либо сжимался (то есть не был постоянным или инвариантным). Этот результат, исходящий из оценки полевых уравнений общей теории, сначала привел самого Эйнштейна к мысли, что его формулировка полевых уравнений общей теории может быть ошибочной, и он попытался исправить это, добавив космологическую постоянную . Эта константа восстановит в общей теории описания пространства-времени инвариантный метрический тензор для ткани пространства / существования. Первым, кто серьезно применил общую теорию относительности к космологии без стабилизирующей космологической постоянной, был Александр Фридман . Фридман вывел решение уравнений поля общей теории относительности в отношении расширяющейся Вселенной в 1922 году. Среди статей Фридмана 1924 года были опубликованы « Über die Möglichkeit einer Welt mit konstanter negativer Krümmung des Raumes » ( О возможности мира с постоянной отрицательной кривизной ). Академия наук, 7 января 1924 г. Уравнения Фридмана описывают вселенную Фридмана – Леметра – Робертсона – Уокера .

В 1927 году бельгийский католический священник Жорж Леметр предложил модель расширения Вселенной, чтобы объяснить наблюдаемые красные смещения 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 варьировались таким образом, чтобы можно было заключить, что существует определенная взаимосвязь между величиной красного смещения туманностей и их расстоянием от наблюдателей.

В 1929 году Эдвин Хаббл предоставил исчерпывающую 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 наблюдаемых ими красных смещений), прямо пропорциональными их расстоянию от Земли и друг от друга. В 1929 году Хаббл и Милтон Хьюмасон сформулировали эмпирический закон расстояния галактик для красного смещения, ныне известный как закон Хаббла , который, когда красное смещение интерпретируется как мера скорости удаления, согласуется с решениями Общих уравнений относительности Эйнштейна для однородных изотропно расширяющееся пространство. Изотропный характер расширения был прямым доказательством того, что расширялось само пространство (ткань существования), а не тела в космосе, которые просто двигались дальше наружу и расходились в бесконечно большую заранее существующую пустоту. Именно эта интерпретация привела к концепции расширяющейся Вселенной. 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 отдаляется от всего остального, то следует думать, что когда-то все было ближе друг к другу. Логический вывод состоит в том, что в какой-то момент вся материя начиналась с единой точки в несколько миллиметров в поперечнике, прежде чем взорваться наружу. Он был настолько горячим, что за сотни тысяч лет до образования материи состоял только из сырой энергии. Что бы ни случилось, должно было высвободить непостижимую силу, поскольку Вселенная все еще расширяется миллиарды лет спустя. Теория, которую он разработал, чтобы объяснить то, что он обнаружил, называется теорией Большого взрыва.

В 1931 году Лемэтр предложил в своей « hypothèse de l'atome primitif » (гипотезе первобытного атома), что Вселенная началась с «взрыва» «первобытного атома » - того, что позже было названо Большим взрывом. Лемэтр сначала принял космические лучи как остатки этого события, хотя теперь известно, что они возникают в местной галактике . Леметру пришлось ждать незадолго до своей смерти, чтобы узнать об открытии космического микроволнового фонового излучения , остаточного излучения плотной и горячей фазы в ранней Вселенной.

Теория большого взрыва против теории устойчивого состояния

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 Лемэтра, который пропагандировал и разработал Джордж Гамов . Другая модель была Фред Хойл «s теории стационарного состояния , в котором новый вопрос будет создан как галактики отошли друг от друга. В этой модели Вселенная примерно одинакова в любой момент времени. На самом деле именно Хойл придумал название теории Лемэтра, назвав ее «идеей« большого взрыва »» во время радиопередачи 28 марта 1949 года в Третьей программе BBC . Широко сообщается, что Хойл, который поддерживал альтернативную космологическую модель « устойчивого состояния », считал это уничижительным, но Хойл прямо отрицал это и сказал, что это просто поразительное изображение, призванное подчеркнуть разницу между двумя моделями. Хойл повторил этот термин в дальнейших передачах в начале 1950 года в рамках серии из пяти лекций, озаглавленных «Природа Вселенной» . Текст каждой лекции публиковался в «Слушателе» через неделю после трансляции, впервые в печати появился термин «большой взрыв». По мере накопления доказательств в пользу модели Большого взрыва и широкого распространения консенсуса, сам Хойл, хотя и несколько неохотно, признал это, сформулировав новую космологическую модель, которую другие ученые позже назвали «устойчивым взрывом».

1950 по 1990-е годы

Сравнение предсказаний стандартной модели Большого взрыва с экспериментальными измерениями. Спектр мощности анизотропии космического микроволнового фонового излучения представлен в угловой шкале (или мультипольном моменте ) (вверху).

Примерно с 1950 по 1965 год поддержка этих теорий была поровну с небольшим дисбалансом, связанным с тем фактом, что теория Большого взрыва могла объяснить как образование, так и наблюдаемые содержания водорода и гелия , в то время как устойчивое состояние могло объяснить, как они были сформированы, но не почему они должны иметь наблюдаемую численность. Однако данные наблюдений начали поддерживать идею о том, что Вселенная эволюционировала из горячего плотного состояния. Объекты, такие как квазары и радиогалактики, наблюдались гораздо чаще на больших расстояниях (следовательно, в далеком прошлом), чем в ближайшей 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 было сочтено 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 некоторой переформулировки Большой взрыв был признан лучшей теорией происхождения и эволюции космоса. До конца 1960-х годов многие космологи считали, что бесконечно плотной и физически парадоксальной сингулярности в начальный момент космологической модели Фридмана можно избежать, допуская, что Вселенная сжималась до перехода в горячее плотное состояние и снова начинала расширяться. Это было оформлено как Ричард Толмен «s колеблющейся вселенной . В шестидесятых годах Стивен Хокинг и другие продемонстрировали, что эта идея неосуществима, а сингулярность является важной особенностью физики, описываемой гравитацией Эйнштейна. Это привело к тому, что большинство космологов приняли идею о том, что Вселенная, как в настоящее время описывается 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 режимом, приводят к тому, что Вселенная действительно вечна по своему характеру.

На протяжении 1970-х и 1980-х годов большинство космологов признавало Большой взрыв, но оставалось несколько загадок, в том числе невозможность открытия анизотропии реликтового излучения и случайные наблюдения, намекающие на отклонения от спектра черного тела; таким образом теория не получила очень сильного подтверждения.

1990 г.

Огромные успехи в космологии Большого взрыва были достигнуты в 1990-х и начале 21-го века в результате значительных достижений в технологии телескопов в сочетании с большими объемами спутниковых данных, таких как COBE , космический телескоп Хаббла и WMAP .

В 1990 году измерения со спутника COBE показали, что спектр реликтового излучения с очень высокой точностью соответствует спектру черного тела 2,725 К ; отклонения не превышают 2 части в100 000 . Это показало, что более ранние утверждения о спектральных отклонениях были неверными, и, по сути, доказало, что Вселенная была горячей и плотной в прошлом, поскольку никакой другой известный механизм не может произвести черное тело с такой высокой точностью. Дальнейшие наблюдения, проведенные COBE в 1992 году, обнаружили очень малую анизотропию реликтового излучения на больших масштабах, примерно такую, как предсказывали модели Большого взрыва с темной материей . С тех пор модели нестандартной космологии без какой-либо формы Большого взрыва стали очень редкими в основных 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 обзоры красного смещения крупных галактик. В 1999–2000 годах наблюдения реликтового излучения с помощью аэростатов Boomerang и Maxima показали, что геометрия Вселенной близка к плоской, затем в 2001 году обзор красного смещения галактик 2dFGRS оценил среднюю плотность вещества примерно в 25–30 процентов от критической плотности.

С 2001 по 2010 год, НАСА «S WMAP космический корабль взял очень подробные снимки Вселенной с помощью космического микроволнового фонового излучения. Изображения можно интерпретировать так, чтобы указать, что возраст Вселенной 13,7 миллиардов лет (с погрешностью в один процент) и что модель лямбда-CDM и теория инфляции верны. Никакая другая космологическая теория пока не может объяснить такой широкий диапазон наблюдаемых параметров, от отношения содержания элементов в ранней Вселенной до структуры космического микроволнового фона, наблюдаемого более высокого содержания активных ядер галактик в ранней Вселенной и наблюдаемого массы скоплений галактик .

В 2013 и 2015 годах космический аппарат Planck ЕКА выпустил еще более подробные изображения космического микроволнового фона, демонстрирующие соответствие модели Lambda-CDM с еще более высокой точностью.

Большая часть текущих работ по космологии включает в себя понимание того, как формируются галактики в контексте Большого взрыва, понимание того, что произошло в самые ранние времена после Большого взрыва, и согласование наблюдений с основной теорией. Космологи продолжают вычислять многие параметры Большого взрыва с новым уровнем точности и проводить более подробные наблюдения, которые, как надеются, дадут ключ к разгадке природы темной энергии и темной материи , а также для проверки общей теории относительности на практике. космические масштабы.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение