Меню

Большой взрыв стационарного состояния

За последние лет восемьдесят, когда теория Большого взрыва стала доминирующей космологической гипотезой, астрофизики сумели предложить десятки, если не сотни вариантов сценариев того, как наша вселенная развивалась последние 13 миллиардов лет. Проблема в том, что вся эта литература предполагает наличие физических закономерностей, которые невозможно проверить и доказать: в лаборатории «биг-бум» не воссоздашь хотя бы потому, что мы предполагаем что-то об инфляции, но не о взрыве как таковом; все теории предполагают грандиозный временной ланг, на протяжении которого проявляются те или иные модели. Что также проблематично по объективным для человека причинам. При условии, что наше понимание времени хоть как-то соответствует физической реальности.

С первыми успехами космонавтики ученые начали проверять и альтернативные теории в терминах наблюдаемых явлений. Из всего этого массива во второй половине 20-го века возник пласт гипотез, которые пытаются объяснить, как возникли материя и физические законы, управляющие ею.

Да, теория Большого взрыва — наиболее общепринятая, но она не отрицает математическую псевдоподобность ни гипотезы стационарного, ни квазистационарного состояния. Конкуренция между ними - самая большая проблема, так как не позволяет остановиться на «вменяемой» математической модели.

Развитие космологии в 21 веке

Скажем, модель стационарного состояния утверждает, что плотность вещества в расширяющейся вселенной остается неизменной с течением времени из-за непрерывного создания материи. Другими словами, наблюдаемая Вселенная, по существу, остается неизменной независимо от времени и места. Это резко контрастирует с теорией о том, что большая часть материи была создана в одном событии (Большой взрыв) и с тех пор видимый мир только расширяется.

Проблема происхождения

Хотя понятие неизменной Вселенной было общепринятым на протяжении всей астрономической истории, лишь недавно ученые начали интерпретировать данную категорию в астрофизических терминах. Первый яркий пример такого подхода зафиксирован в «Математических принципах естественной философии» Исаака Ньютона, опубликованных в 1687 году.

В своем «Большом опусе» Ньютон концептуализировал Вселенную за пределами Солнечной системы как пустое пространство, которое равномерно распространяется во всех направлениях на неизмеримые расстояния. Далее он объяснил с помощью математических доказательств и наблюдений, что все движение и динамика в этой системе объяснимы через единый принцип всемирного тяготения.

Однако то, что стало известно как Гипотеза стационарного состояния, появилось только в начале 20-го века. Космологическая модель была вдохновлена рядом открытий, а также прорывами в области теоретической физики, прежде всего, благодаря работам Альберта Эйнштейна с его общей теории относительности и Эдвина Хаббла, указавшего (есть сомнения), что Вселенная находится в состоянии расширения.

Эйнштейн формализовал первый вариант теории к 1915 году после того, как решил расширить СТО, введя новый космологический параметр — гравитацию. В конечном счете, новая модель утверждала, что гравитационная сила вещества и энергии напрямую изменяет кривизну пространства-времени вокруг нее. Или, как резюмировал знаменитый физик-теоретик Джон Уилер, «пространство-время говорит материи, как двигаться; материя говорит пространству-времени, как изгибаться».

К 1917 году теоретические расчеты, основанные на полевых уравнениях Эйнштейна, показали, что Вселенная должна находиться в состоянии расширения или сжатия. К 1929 году наблюдения, сделанные автором Большого Взрыва Леметром и Хабблом, показали большую вероятность правоты такого подхода. По крайней мере, технически ничего не противоречило новейшим на тот момент теоретическим изысканиям.

Данные Хаббл, 20-30-е годы

Основываясь на этих откровениях, в 1930-х годах начались дебаты о возможном происхождении и истинной природе Вселенной. С одной стороны, были те, кто утверждал, что Вселенная конечна по возрасту и развивается с течением времени благодаря охлаждению, расширению и образованию структур в результате гравитационного коллапса. Эту теорию сатирически назвали «Большим взрывом». Термин Фреда Хойла прижился и используется к месту и не к месту.

В то же время большинство астрономов того времени придерживались теории, согласно которой наблюдаемая Вселенная расширяется, она, но не изменяется с точки зрения плотности вещества. Проще говоря, она не имеет ни начала, ни конца, а материя непрерывно создается со скоростью один атом водорода на кубический метр за 100 миллиардов лет.

Такое понимание расширило космологический принцип Эйнштейна и пояснило необходимость космологической константы Эйнштейна, предложенной в 1931 году. Согласно великому физику, эта сила была ответственна за «сдерживание гравитации» и обеспечение устойчивости Вселенной, ее однородности и изотропности с точки зрения крупномасштабности ее структуры.

Однако члены научной школы «Стационарное состояние» утверждали, что непрерывное создание материи обеспечило сохранение структуры Вселенной во времени. Гипотезу о стационарном состоянии приняли в качестве парадигмальной.

В 1948 году астрофизика обогатилась двумя публикациями: «Новая модель расширяющейся вселенной» английского астронома Фреда Хойла и «Теория устойчивого состояния и расширяющаяся вселенной» британо-австрийского дуэта Германа Бонди и Томаса Голда.

Ключевые аргументы и прогнозы

Аргументы в пользу гипотезы устойчивого состояния включают очевидную проблему масштаба времени, возникающего из-за наблюдаемой скорости космического расширения (она же постоянная Хаббла или закон Хаббла-Леметра). Основываясь на наблюдениях близлежащих галактик, он рассчитал, что видимая часть Вселенной расширяется со скоростью, которая систематически увеличивается с расстоянием. По крайней мере, таким образом были про интерпретированы данные измерений, хотя объяснение тому же «красному смещению можно сейчас найти самые противоположные, вплоть до полного отрицания самого явления.

Тем не менее, именно это породило идею, что Вселенная начала расширяться из гораздо меньшего объема пространства. В отсутствие ускорения/замедления — 500 км /с на Мегапарсек - постоянная Хаббла означала, что вся материя расширялась в течение примерно 2 миллиардов лет. Так появился верхний предел возраста Вселенной.

Но вскоре благодаря радиоактивному датированию возраст первичной материи увеличили. Причем измерения скорости распада месторождений урана-238 и плутония-205 делались на образцах горных (земных) пород. До 2020 самым старым образцом считался лунный самородок в 4,6 миллиарда лет. Сегодня планка поднята уже до 7 млрд. лет, а это, по официальной версии, древнее не только Земли, но и Солнца. Которое к тому же продолжает прекрасно гореть и не гаснуть, хотя при нынешних темпах выгорания звезде хватило бы пару-тройку сотен миллионов лет, чтобы прекратить свое существование. Если просчитать массу и объем водорода, задействованного в термоядерных реакциях.

Еще одно несоответствие теории возникло при математическом моделировании эволюции звезд.

Оказалось, скорость, с которой водород сливается внутри звезд, дает верхнюю оценку возраста в 10 миллиардов лет для шаровых скоплений. Более того, никакая эволюция на больших расстояниях не могла бы произойти в этой модели. По логике, квазары и активные ядра галактики должны быть единообразными во всей Вселенной. И то, если под квазарами понимаются некие звездообразные астрономические объекты, а не, скажем, удаленные в пространстве и во времени галактические образования.

То есть постоянная Хаббла, рассчитанная в начале 20-го века, остается постоянной.

Стационарная модель также предсказывала, что устойчивое образование антивещества и нейтронов приведет к регулярным аннигиляциям и распаду нейтронов. Таким образом пояснялось существование гамма-фона и горячего газа, производящего рентгеновское излучение во всей Вселенной.

Теоретическая необходимость Большого взрыва

Продолжающиеся наблюдения 1950-60-х годов неуклонно приводили к накоплению доказательств против гипотезы стационарного состояния. К ним относится открытие ярких радиоисточников (так называемых квазаров и радиогалактик). Возник даже термин «радиомолчание».

К 1961 году исследования радиоисточников позволили провести статистический анализ, который исключил возможность равномерного распределения ярких радиогалактик. Другим важным аргументом против стационарной гипотезы было открытие космического микроволнового фона, который и обосновал современную модель Большого взрыва.

Современная модель квазистационарного состоянияВ сочетании с отсутствием гамма-фона и распространяющихся облаков рентгеновского газа модель Большого взрыва получила широкое признание с конца 1960-х. Спустя 30 лет наблюдения с помощью космического телескопа Хаббла и других обсерваторий также продемонстрировали, что космическое расширение не было постоянным во времени. По признанной модели, в течение последних трех миллиардов лет оно ускорялось.

Это привело к нескольким уточнениям постоянной Хаббла. Основываясь на данных, собранных с помощью микроволнового зонда анизотропии Уилкинсона (WMAP), скорость космического расширения в настоящее время оценивается в диапазоне от 70 до 73,8 км / с на Мпк (от 43,5 до 46 м / с на Мпк) с погрешностью 3%. Эти значения гораздо больше соответствуют принятой датировке в 13,8 миллиардов лет.

Современные варианты

Начиная с 1993 года, Фред Хойл и астрофизики Джеффри Бербидж и Джаянт В. Нарликар начали публиковать серию исследований, в которых они предложили новую версию Гипотезы стационарного состояния. Эта вариация, известная как QSS, пыталась объяснить космологические явления, которые старая теория не учитывала.

Данная модель предполагает, что Вселенная является результатом постепенной эволюции, происходящей в течение многих миллиардов лет. Но проблема состоит в том, что теория постоянно переписывается в зависимости от расчетов скорости расширения Вселенной. Несмотря на все изменения, астрономическое сообщество по-прежнему считает, что Большой взрыв - лучшая модель для объяснения всех наблюдаемых явлений.

Сегодня квазистационарная модель известна как модель Lambda-Cold Dark Matter (LCDM), которая включает в себя современные теории о темной материи и энергии, необходимые для оправдания концепта Большого Взрыва. Хотя гипотеза о стационарном состоянии все еще отстаивается некоторыми астрофизиками и космологами. Космологам страшно отказаться от наследия 20-х годов, хотя на самом деле «железобетонных», кроме постоянно меняющейся математики, доказательств у них нет.

Добавил:Всеволод Гордиенко Дата:2020-03-15 Раздел:Астрономия