История теории Большого взрыва

редактировать

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

История теории Большого взрыва началась с развития Большого взрыва с наблюдения и теоретические соображения. Большая часть теоретических работ 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 Жорж Лемэтр.

Содержание

  • 1 Философия и средневековый темпоральный финитизм
  • 2 Научные разработки начала 20 века
    • 2.1 Теория большого взрыва и теория устойчивого состояния
  • 3 1950–1990-е годы
  • 4 Начало 1990 года
  • 5 См. Также
  • 6 Ссылки
  • 7 Дополнительная литература

Философия и средневековый темпоральный финитизм

В средневековой философии было много споров по поводу того, было ли прошлое Вселенной конечным или бесконечным (см. Временной финитизм ). Философия Аристотеля считала, что у вселенной было бесконечное прошлое, что вызывало проблемы для средневековых еврейских и исламских философов, которые не могли примирить аристотелевскую концепция вечного с авраамическим взглядом на творение. В результате Джон Филопон, Аль-Кинди, Саадиа Гаон, разработали множество логических аргументов в пользу конечного прошлого вселенной. Аль-Газали и Иммануил Кант и др.

В своем трактате 1225 года De Luce (О свете) английский теолог Роберт Гроссетест исследовал природу материя и космос. 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 в качестве аргумента в пользу конечности Вселенной. Семьдесят семь лет спустя Исаак Ньютон описал крупномасштабное движение во Вселенной.

Описание вселенной, которая расширялась и сжималась циклически, было впервые предложено 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, это 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 научное значение в последнее время было переоценено.

Согласно По, начальное состояние материи было единственной «Изначальной Частицей». «Божественная Воля», проявившаяся как сила отталкивания, раздробила Изначальную Частицу на атомы. Атомы распространяются равномерно 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 конечном итоге возвращается Стадия Изначальной Частицы, чтобы снова начать процесс отталкивания и притяжения. Эта часть «Эврики» описывает эволюционирующую Вселенную Ньютона, которая имеет ряд свойств с релятивистскими моделями, и по этой причине По предвосхищает некоторые темы современной космологии.

Научные разработки начала 20 века

Наблюдательно, в 1910-е годы Весто Слайфер и позже Карл Вильгельм Вирц определили, что большинство спиральных туманностей (теперь правильно называемых спиральными галактиками ) были удаляется с 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.

Также в то десятилетие теория Альберта Эйнштейна в целом Было обнаружено, что теория относительности не допускает статических космологических решений, учитывая основные допущения космологии, описанные в теоретических основах Большого взрыва. 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 космологическая постоянная. Эта константа вернула бы к описанию пространства-времени общей теорией 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 г., Эдвин Хаббл обеспечил всеобъемлющую наблюдательную основу теории Леметра. Экспериментальные наблюдения Хаббла показали, 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. с решениями общей теории относительности Эйнштейна для однородного, изотропного расширяющегося пространства. Изотропный характер расширения был прямым доказательством того, что расширялось само пространство (ткань существования), а не тела в пространстве, которые просто двигались дальше наружу и расходились в бесконечно большую существующую ранее 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 для объяснения того, 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 «взрыв» «первобытного атома » - то, что позже было названо Большим взрывом. Лемэтр сначала принял космические лучи как остатки этого события, хотя теперь известно, что они возникают в локальной галактике. Леметру пришлось подождать незадолго до своей смерти, чтобы узнать об открытии космического микроволнового фонового излучения, остаточного излучения плотной и горячей фазы в ранней Вселенной.

Теория большого взрыва vs Теория 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. Другой моделью была теория устойчивого состояния Фреда Хойла , в 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 Лемэтра, назвав ее «идеей« большого взрыва »» во время радиопередачи 28 марта 1949 года в BBC Третьей программе. Обычно сообщается, что Хойл, который поддерживал альтернативную космологическую модель «стационарное состояние », считал это уничижительным, но Хойл прямо отрицал это и сказал, что это просто поразительное изображение, призванное подчеркнуть разницу между две модели. Хойл повторил этот термин в дальнейших передачах в начале 1950 года в рамках серии из пяти лекций под названием «Природа Вселенной». Текст каждой лекции был опубликован в The Listener через неделю после трансляции, когда 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».

1950–1990-е годы

Сравнение прогнозов стандартной модели Большого взрыва с экспериментальными измерениями. Спектр мощности анизотропии космического микроволнового фонового излучения представлен в виде угловой шкалы (или мультипольного момента ) (вверху).

Примерно с 1950 по 1965 год поддержка этих теорий была равномерно разделена, с небольшим дисбалансом, возникающим из-за того, 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 образовались, но не почему у них должно быть наблюдаемое изобилие. 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 быть неизменный со временем. Вдобавок 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 некоторой переформулировки Большой взрыв был признан лучшей теорией происхождения и эволюции космоса. До конца 1960-х годов многие космологи считали, что бесконечно плотную и физически парадоксальную сингулярность в момент начала космологической модели Фридмана можно избежать, допуская, что Вселенная сжималась перед тем, как войти в горячую среду. плотное состояние, и снова начинает расширяться. Это было формализовано как колеблющаяся вселенная Ричарда Толмена . В шестидесятые годы 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 согласились с представлением о том, что Вселенная, как в настоящее время описывается общей физикой относительности, имеет конечный возраст. Однако из-за отсутствия теории квантовой гравитации невозможно сказать, является ли сингулярность действительной точкой происхождения Вселенной или же физические процессы, управляющие режимом, заставляют Вселенную быть вечным по своему характеру.

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

в преддверии 1990 г.

Огромные успехи в космологии Большого взрыва были достигнуты в 1990-х и в начале 21-го века в результате крупных достижений в технологии телескопов в сочетании с большим объемом 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 2,725 K черному телу ; отклонения не превышают 2 частей на 100000. Это показало, что более ранние утверждения о спектральных отклонениях были неверными, и по существу 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 г., 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 большие обзоры красного смещения галактик. В 1999–2000 годах наблюдения реликтового излучения на воздушном шаре Boomerang и Maxima показали, что геометрия Вселенной близка к плоской, затем в 2001 году обзор красного смещения галактик 2dFGRS оценил величину средняя плотность вещества около 25–30 процентов критической плотности.

С 2001 по 2010 год космический аппарат НАСА WMAP делал очень подробные снимки Вселенной с помощью космического микроволнового фонового излучения. Изображения можно интерпретировать так, чтобы указать, что возраст Вселенной 13,7 миллиарда лет (с погрешностью в один процент) и что модель лямбда-CDM и инфляционная теория 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 ранняя Вселенная и наблюдаемые массы скоплений галактик.

В 2013 и 2015 годах космический аппарат ESA Planck выпустил еще более подробные изображения космического микроволнового фона, демонстрирующие соответствие с лямбдой. -CDM модель для еще большей точности.

Большая часть современных работ по космологии включает в себя понимание того, как образуются галактики в контексте Большого взрыва, понимание того, что произошло в самые ранние времена после Большого взрыва, и согласование наблюдений с базовой теорией. Космологи продолжают вычислять многие параметры Большого взрыва с новым уровнем точности и проводят более подробные наблюдения, которые, как надеются, могут дать ключ к разгадке природы темной энергии и темной материи, и проверить теорию общей теории относительности в космических масштабах.

См. Также

  • значок Физический портал

Ссылки

Дополнительная литература

Последняя правка сделана 2021-05-23 14:57:05
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте