Pokud jde o náš vesmírný původ, v průběhu dějin se vyvinulo mnoho teorií. Doslova každá kultura, která kdy existovala, měla svou vlastní mytologickou tradici, která přirozeně zahrnovala příběh stvoření. S narozením vědecké tradice začali vědci pochopit vesmír z hlediska fyzikálních zákonů, které by bylo možné otestovat a prokázat.
S úsvitem vesmírného věku začali vědci zkoumat kosmologické teorie z hlediska pozorovatelných jevů. Z toho všeho vyplynulo ve druhé polovině 20. století řada teorií, které se pokusily vysvětlit, jak se všechny záležitosti a fyzické zákony, kterými se řídí, staly. Z nich je Teorie velkého třesku nejvíce široce přijímaná, zatímco hypotéza o stabilním stavu byla historicky jejím největším vyzývatelem.
Model ustáleného stavu uvádí, že hustota hmoty v rozšiřujícím se vesmíru se v průběhu času nezmění kvůli neustálému vytváření hmoty. Jinými slovy, pozorovatelný vesmír v podstatě zůstává stejný bez ohledu na čas nebo místo. Toto staví to v ostrém kontrastu k teorii, že většina hmoty byla vytvořena v jediné události (Velký třesk) a od té doby se rozšiřuje.
Původy
Zatímco představa o stabilním a neměnném vesmíru byla zahrnuta skrz historii, vědci to začali interpretovat astrofyzikálně teprve v raném novověku. Prvním jasným příkladem toho, o čem se hovoří v souvislosti s astronomií a kosmologií, byl Isaac Newton Matematické základy přírodní filosofie (Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica) publikováno v roce 1687.
V Newtonově magnum opusu konceptualizoval vesmír za Sluneční soustavou jako prázdný prostor, který se ve všech směrech rovnoměrně rozpínal na nezměrné vzdálenosti. Dále pomocí matematických důkazů a pozorování vysvětlil, že veškerý pohyb a dynamika v tomto systému byla vysvětlena prostřednictvím jediného principu univerzální gravitace.
To, co by se stalo známým jako hypotéza o ustáleném stavu, se však objevilo až na počátku 20. století. Tento kosmologický model byl inspirován řadou objevů a průlomy v oblasti teoretické fyziky. Patřily mezi ně teorie Alberta Einsteina o obecné relativitě a pozorování Edwina Hubbla, že vesmír je ve stavu expanze.
Einstein formalizoval tuto teorii 1915 poté, co se rozhodl rozšířit jeho teorii speciální relativity včlenit gravitaci. Tato teorie nakonec uvádí, že gravitační síla hmoty a energie přímo mění zakřivení časoprostoru kolem ní. Nebo jak to slavný teoretický fyzik John Wheeler shrnul: „časoprostor říká, jak se pohybovat; hmota říká časoprostor, jak křivku. “
V roce 1917 teoretické výpočty založené na Einsteinových polních rovnicích ukázaly, že vesmír musel být ve stavu expanze nebo kontrakce. 1929, pozorování George Lemaitre (kdo navrhl teorii velkého třesku) a Edwin Hubble (používat 100-palcový Hooker dalekohled u Mount Wilson Observatory) demonstroval, že latter byl případ.
Na základě těchto zjevení začala ve 30. letech 20. století debata o možném původu a začala skutečná povaha vesmíru. Na jedné straně se objevili ti, kdo tvrdili, že vesmír byl konečný ve věku a vyvíjel se v průběhu času díky chlazení, expanzi a tvorbě struktur v důsledku gravitačního kolapsu. Tato teorie byla satiricky pojmenována Fredem Hoylem jako „Velký třesk“ a jméno se zaseklo.
Mezitím se většina astronomů v té době držela teorie, že zatímco pozorovatelný vesmír se rozšiřuje, přesto se nemění z hlediska hustoty hmoty. Stručně řečeno, zastánci této teorie argumentovali, že vesmír nemá začátek, žádný konec a že záležitost se neustále vytváří v průběhu času - rychlostí jednoho atomu vodíku na metr krychlový na 100 miliard let.
Tato teorie také rozšířila Einsteinův kosmologický princip, aka. Kosmologický konstanta (CC), kterou Einstein navrhl v roce 1931. Podle Einsteina byla tato síla zodpovědná za „zadržování gravitace“ a zajištění toho, aby vesmír zůstal stabilní, homogenní a izotropní, pokud jde o jeho rozsáhlou strukturu.
Při úpravě a rozšíření tohoto principu členové Steady State School of Myšlení argumentovali, že to bylo neustálé vytváření hmoty, které zajistilo, že struktura vesmíru zůstala v průběhu času stejná. Toto je jinak známé jako dokonalý kosmologický princip, který odepíná hypotézu ustáleného stavu.
Teorie ustáleného stavu se stala široce známou v roce 1948 vydáním dvou článků: „Nový model pro rozšiřující se vesmír“ anglickým astronomem Fredem Hoylem a „Teorie ustáleného stavu a rozšiřující se vesmír“ britsko-rakouským astrofyzikem a kosmologický tým Hermann Bondi a Thomas Gold.
Klíčové argumenty a předpovědi
Argumenty ve prospěch hypotézy o ustáleném stavu zahrnují zjevný problém časového měřítka vyvolaný pozorovanou rychlostí kosmické expanze (aka. Hubbleova konstanta nebo Hubble-Lemaitre zákon). Na základě Hubbleových pozorování blízkých galaxií vypočítal, že vesmír se rozšiřuje rychlostí, která se systematicky zvyšuje s dálkou.
Toto dalo vzniknout myšlence, že vesmír začal expandovat z mnohem menšího objemu prostoru. Při absenci zrychlení / zpomalení - 500 km / s na Megaparsec (310 mps na Mpc) - Hubbleův konstanta znamenal, že veškerá hmota expanduje asi 2 miliardy let - což by také bylo vyšší věk vesmíru.
Tento nález byl v rozporu s radioaktivním datováním, kde vědci měřili rychlost rozkladu depozitů Uranu-238 a Plutonia-205 ve vzorcích hornin. Použitím této metody se odhaduje, že nejstarší vzorky horniny (původem z Měsíce) jsou staré 4,6 miliardy let. Další nesoulad se objevil v důsledku teorie hvězdné evoluce.
Stručně řečeno, rychlost, při které je vodík fúzován v nitru hvězd (aby se vytvořilo hélium), poskytuje odhad věkové hranice 10 miliard let pro kulové hvězdokupy - nejstarší hvězdy v galaxii. A co víc, u tohoto modelu se nemohl vyskytnout žádný vývoj na velké vzdálenosti - což by znamenalo, že rádiové zdroje - aka. kvasary nebo aktivní galaktická jádra (AGN) - by byly v celém vesmíru jednotné.
Znamenalo by to také, že Hubbleova konstanta (vypočtená na počátku 20. století) by zůstala konstantní. Model ustáleného stavu také předpovídal, že stálé vytváření antihmoty a neutronů by mělo za následek pravidelné vyhubení a rozpad neutronů, což by vedlo k existenci gama pozadí a horkého plynu emitujícího rentgenové záření v celém vesmíru.
Velký třesk pro vítězství
Pokračující pozorování v 50. a 60. letech však stále vedla k hromadění důkazů proti hypotéze ustáleného stavu. Jednalo se o objev jasných rádiových zdrojů (aka. Kvasary a radio galaxie), které byly objeveny ve vzdálených galaxiích, ale nikoli těch, které jsou nám nejblíže - což naznačuje, že mnoho galaxií se postupem času stalo „radioklidem“.
Do roku 1961 umožnily průzkumy rádiových zdrojů statistické analýzy, které vylučovaly možnost rovnoměrného rozložení jasných rádiových galaxií. Dalším hlavním argumentem proti hypotéze ustáleného stavu byl objev Kosmického mikrovlnného pozadí (CMB) v roce 1964, který předpovídal model Velkého třesku.
V kombinaci s neexistencí pozadí gama paprsků a všudypřítomných mraků plynu emitujícího rentgenové záření se model Big Bang stal v 60. letech široce přijímán. V 90. letech byla pozorování s Hubbleův kosmický dalekohled a další observatoře také objevily, že kosmická expanze v průběhu času nebyla konzistentní. Během posledních tří miliard let se to ve skutečnosti zrychluje.
To vedlo k několika vylepšením Hubbleova konstanty. Na základě údajů shromážděných Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) je v současnosti odhadována rychlost kosmické expanze mezi 70 a 73,8 km / s na Mpc (43,5 až 46 mps na Mpc) s 3% chybou. Tyto hodnoty jsou mnohem konzistentnější s pozorováními, která uvádějí stáří vesmíru na přibližně 13,8 miliard let.
Moderní varianty
Počínaje rokem 1993 začali Fred Hoyle a astrofyzici Geoffrey Burbidge a Jayant V. Narlikar publikovat řadu studií, ve kterých navrhli novou verzi hypotézy stabilního stavu. Tato variace, známá jako hypotéza kvazi-ustáleného stavu (QSS), se pokoušela vysvětlit kosmologické jevy, které stará teorie nezohlednila.
Tento model naznačuje, že vesmír je výsledkem kapes stvoření (aka. Mini-ofina), které se dějí v průběhu mnoha miliard let. Tento model byl upraven v reakci na data, která ukázala, jak se míra expanze vesmíru zrychluje. Přes tyto modifikace astronomická komunita stále považuje Velký třesk za nejlepší model pro vysvětlení všech pozorovatelných jevů.
Dnes je tento model známý jako model Lambda-Cold Dark Matter (LCDM), který včleňuje současné teorie o Dark Matter a Dark Energy s teorií Big Bang. Přesto hypotéza o ustáleném stavu (a její varianty) obhajují někteří astrofyzici a kosmologové. A není to jediná alternativa kosmetiky Big Bang…
Zde jsme psali mnoho článků o kosmologii v časopisu Space Magazine. Zde je Co je vesmír, teorie velkého třesku: Evoluce našeho vesmíru, co je teorie oscilačního vesmíru ?, Co je Big Rip ?, Co je Multiverse Theory ?, Co je teorie superstring ?, Jaké je pozadí kosmického mikrovlnného záření? „The Big Crunch: The End of the Universe?“ Co je Big Freeze? A Cosmology 101: The End.
Astronomie Cast také některé zajímavé epizody na toto téma. Tady je epizoda 5: Velký třesk a kosmické mikrovlnné pozadí, epizoda 6: Více důkazů o velkém třesku, epizoda 79: Jak velký je vesmír ?, Epizoda 187: Historie astronomie, část 5: 20. století a epizoda 499: Co je navrhovaný zákon Hubble-Lemaitre?
Zdroje:
- Wikipedia - Kosmologický princip
- Wikipedia - Stálá hypotéza
- Myšlenky na kosmologii - velký třesk nebo stabilní stát?
- Encyklopedie Britannica - Stálá státní teorie
- UBC astronomie a astrofyzika - základní problémy v kosmologii
- "Nový model pro rozšiřující se vesmír", Hoyle, F. MNRAS, sv. 108, ne. 372 (1948)
- "Kvazi-ustálený stav a související kosmologické modely: historický přehled," Kragh. H. (2012)
- "Teorie ustáleného stavu rozšiřujícího se vesmíru," MNRAS, sv. 108, str. 108. 252 (1948)
- "Einsteinova teorie ustáleného stavu: opuštěný model vesmíru," European Physical Journal H, sv. 39, str. 353-367 (2014)
- "Kvazi – ustálený kosmologický model s vytvořením hmoty," Hoyle, F .; Burbidge, G .; Narlikar, J. V., Astrophysical Journal v. 410, str. 437 (1993)
