История теории большого взрыва - History of the Big Bang theory

Согласно модели Большого взрыва, вселенная расширился из чрезвычайно плотного и горячего состояния и продолжает расширяться сегодня. Общая аналогия объясняет, что Космос сам расширяется, несет галактики с ним, как пятна на надувном воздушном шаре. Приведенная выше графическая схема представляет собой концепцию художника, иллюстрирующую расширение части плоской вселенной.
Часть серии по
Физическая космология
Изображение полного неба, полученное по данным WMAP за девять лет
История темы
  • Категория Категория
  • Крабовидная туманность.jpg Астрономический портал

В история теории большого взрыва началось с Большой взрыв Развитие 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. Жорж Лемэтр.

Философия и средневековый темпоральный финитизм

В средневековая философия, было много споров о том, было ли прошлое Вселенной конечным или бесконечным (см. Временный финитизм ). Философия Аристотель считал, что у Вселенной было бесконечное прошлое, что создавало проблемы для средневековых Еврейский и Исламские философы которые не смогли примирить Аристотелевский концепция вечного с Авраамический взгляд на создание.[1] В результате были разработаны различные логические аргументы в пользу конечного прошлого Вселенной. Иоанн Филопон, Аль-Кинди, Саадия Гаон, Аль-Газали и Иммануил Кант, среди прочего.[2]

В своем трактате 1225 г. Де Люс (На 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 это первая попытка описать небеса и Землю с помощью единого набора физических законов.[3]

В 1610 г. 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 предложено в стихотворении, опубликованном в 1791 году. Эразм Дарвин. Эдгар Аллан По представил аналогичную 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, исходное состояние материи было единственной «Изначальной Частицей». «Божественная воля», проявившаяся как сила отталкивания, раздробила Изначальную Частицу на атомы. Атомы равномерно распространяются по космосу, 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.[4]

Научные разработки начала 20 века

Наблюдательно, в 1910-е гг. Весто Слайфер и позже, Карл Вильгельм Вирц, определил, что большинство спиральных туманностей (теперь правильно называемых спиральные галактики ) удалялись от Земли. Слайфер б / у спектроскопия исследовать периоды вращения планет, состав планетных атмосфер и впервые 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 нашей собственной Млечный Путь.[5]

Также в то десятилетие Альберт Эйнштейн теория общая теория относительности было обнаружено, что нет статические космологические решения, учитывая основные положения космологии, описанные в Теоретические основы Большого взрыва. Вселенная (то есть метрика пространства-времени) описывалась метрический тензор который либо расширялся, либо сжимался (т.е. 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 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 Фридманн. Фридман вывел решение уравнений поля общей теории относительности в отношении расширяющейся Вселенной в 1922 году. Среди статей Фридмана 1924 года были:Über die Möglichkeit einer Welt mit konstanter negativer Krümmung des Raumes" (О возможности мира с постоянной отрицательной кривизной), который был опубликован Берлинской академией наук 7 января 1924 г.[6] Уравнения Фридмана описывают Фридман – Леметр – Робертсон – Уокер Вселенная.

В 1927 г. бельгийский Католик священник 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 Ситтер, и независимо выведенные уравнения Фридмана для расширяющейся Вселенной. Кроме того, сами красные смещения не были постоянными, но варьировались таким образом, чтобы можно было сделать вывод о существовании определенной зависимости между величиной красного смещения туманностей и их расстоянием от наблюдателей.[7]

В 1929 г. Эдвин Хаббл обеспечил исчерпывающую 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 г. Хаббл и Милтон Хьюмасон сформулировал эмпирический закон расстояния галактик для красного смещения, ныне известный как Закон Хаббла, которое, когда красное смещение интерпретируется как мера скорости спада, согласуется с решениями Общей теории относительности Эйнштейна для однородного, изотропно 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 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.[7] В 1929 г. 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.[8]

В 1931 году Лемэтр предложил в своем "hypothèse de l'atome primitif"(гипотеза первобытного атома), что Вселенная началась с" взрыва "" первобытного " атом "- то, что позже было названо Большим взрывом. Лемэтр сначала взял космические лучи быть остатками события, хотя теперь известно, что они происходят в местных галактика. Леметру пришлось ждать незадолго до своей смерти, чтобы узнать об открытии космическое микроволновое фоновое излучение, остаточное излучение плотной и горячей фазы в ранней Вселенной.[9]

Теория большого взрыва против теории устойчивого состояния

Закон Хаббла предполагал, что Вселенная расширяется, что противоречит космологический принцип посредством чего Вселенная, если смотреть на нее с достаточно больших расстояний, 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 Георгий Гамов. Другая модель была Фред Хойл с Теория устойчивого состояния, в котором новая материя будет создана 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 г. BBC Третья программа. Широко известно, что Хойл, сторонник альтернативы "устойчивое состояние «В космологической модели это было уничижительно, но Хойл прямо отрицал это и сказал, что это просто поразительное изображение, призванное подчеркнуть разницу между двумя моделями.[10]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 Слушатель через неделю после трансляции в печати впервые появился термин «большой взрыв».[11] 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».[12]

1950 по 1990-е годы

Сравнение предсказаний стандартной модели Большого взрыва с экспериментальными измерениями. Спектр мощности анизотропии космического микроволнового фонового излучения построен в угловом масштабе (или мультипольный момент ) (верх).

Примерно с 1950 по 1965 год поддержка этих теорий разделилась поровну, с небольшим дисбалансом, вызванным тем фактом, что теория Большого взрыва могла объяснить как образование, так и наблюдаемое количество водород и гелий, в то время как устойчивое состояние может объяснить, как они образовались, но не объясняет, почему они должны иметь наблюдаемую численность. Однако данные наблюдений начали поддерживать идею о том, что Вселенная эволюционировала из горячего плотного состояния. Такие объекты как квазары и радиогалактики наблюдались гораздо чаще на больших расстояниях (следовательно, в далеком прошлом), чем в ближайшей Вселенной, в то время как Устойчивое Состояние предсказывало, что средние свойства Вселенной должны оставаться неизменными со временем. Кроме того, открытие космический микроволновый фон Радиация в 1964 году считалась похоронным звоном устойчивого состояния, хотя это предсказание было только качественным и не позволяло 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 бесконечно плотные и физически парадоксальный необычность в начальный момент космологической модели Фридмана можно было избежать, допустив, что Вселенная сжималась до перехода в горячее плотное состояние и снова начинала расширяться. Это было оформлено как Ричард Толман с колеблющаяся вселенная. В шестидесятые годы Стивен Хокинг и другие продемонстрировали, что эта идея неосуществима,[нужна цитата ] а сингулярность - существенная черта физики, описываемой гравитацией Эйнштейна. Это привело к тому, что большинство космологов согласились с представлением о том, что Вселенная, как в настоящее время описывается физикой общей теории относительности, имеет конечный возраст. Однако из-за отсутствия теории квантовая гравитация, невозможно сказать, является ли сингулярность действительной точкой происхождения Вселенной, или же физические процессы, управляющие режимом, делают Вселенную фактически вечной по своему характеру.

На протяжении 1970-х и 1980-х годов большинство космологов признавало Большой взрыв, но оставалось несколько загадок, в том числе необнаружение анизотропии реликтового излучения и периодические 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 в начале 21-го века в результате крупных достижений в области космологии. телескоп технологии в сочетании с большими объемами спутниковых данных, таких как COBE, то Космический телескоп Хаббла и WMAP.

В 1990 г. измерения с COBE спутник показал, что спектр реликтового излучения соответствует 2.725 K черное тело с очень высокой точностью; отклонения не превышают 2 части в 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 так, как предсказывали модели Большого взрыва с темная материя. С тех пор модели нестандартная космология 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 гг. Бумеранг и Maxima, сделанные на воздушном шаре, наблюдения CMB показали, что геометрия Вселенной близка к плоской, то в 2001 г.2dFGRS Обзор красного смещения галактик оценил среднюю плотность вещества примерно в 25–30 процентов от критической плотности.

С 2001 по 2010 гг. НАСА с WMAP космический аппарат сделал очень подробные снимки Вселенной с помощью космического микроволнового фонового излучения.[13] Изображения можно интерпретировать так, чтобы указать, что возраст Вселенной 13,7 миллиарда лет (с погрешностью в один процент) и что возраст Вселенной Лямбда-CDM модель 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 активные галактические ядра в ранней Вселенной и наблюдаемые массы скопления галактик.

В 2013 и 2015 годах ЕКА Планк космический аппарат выпустил еще более подробные изображения космического микроволнового фона, демонстрирующие соответствие Лямбда-CDM модель с еще большей точностью.

Большая часть текущей работы 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 проводят более подробные наблюдения, которые, как надеются, помогут понять природу Большого взрыва. темная энергия и темная материя, и проверить теорию Общая теория относительности в космических масштабах.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Сеймур Фельдман (1967). "Доказательства сотворения Вселенной Герсонидом". Труды Американской академии еврейских исследований. Труды Американской академии еврейских исследований, Vol. 35. 35: 113–137. Дои:10.2307/3622478. JSTOR  3622478.
  2. ^ 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.
  3. ^ Маклиш, Том С. Б .; Бауэр, Ричард Дж .; Таннер, Брайан К .; Smithson, Hannah E .; Панти, Сесилия; Льюис, Нил; Гаспер, Джайлз Э. М. (2014). "История: средневековая мультивселенная" (PDF). Природа. 507 (7491): 161–163. Дои:10.1038 / 507161a. PMID  24627918.
  4. ^ Каппи, Альберто (1994). "Физическая космология Эдгара Аллана По". Ежеквартальный журнал Королевского астрономического общества. 35: 177–192. Bibcode:1994QJRAS..35..177C.
  5. ^ "Большой взрыв: случайное доказательство | Наука в иллюстрациях". Получено 4 июля 2020.
  6. ^ Фридман, А. (1922). "Über die Krümmung des Raumes". Zeitschrift für Physik. 10 (1): 377–386. Bibcode:1922ZPhy ... 10..377F. Дои:10.1007 / BF01332580. S2CID  125190902. (Английский перевод: Gen. Rel. Grav. 31 (1999), 1991–2000.) И Фридман, А. (1924). "Über die Möglichkeit einer Welt mit konstanter negativer Krümmung des Raumes". Zeitschrift für Physik. 21 (1): 326–332. Bibcode:1924ZPhy ... 21..326F. Дои:10.1007 / BF01328280. S2CID  120551579. (Английский перевод: Gen. Rel. Grav. 31 (1999), 2001–2008.)
  7. ^ а б "Закон Хаббла", Википедия, 2 июля 2020, получено 4 июля 2020
  8. ^ "Что такое теория большого взрыва?". TheBuZzyBrain. 24 июнь 2020. Получено 22 июля 2020.
  9. ^ "Жорж Лемэтр, отец Большого взрыва". Американский музей естественной истории. Архивировано из оригинал 17 января 2013 г.
  10. ^ Миттон, С. (2005). Фред Хойл: Жизнь в науке. Аурум Пресс. п. 127.CS1 maint: ref = harv (ссылка на сайт)
  11. ^ Эту книгу [больше] нельзя скачать здесь: [1]
  12. ^ Рис, М., Всего за шесть минут, Orion Books, Лондон (2003), стр. 76
  13. ^ "Микроволновой датчик анизотропии Уилкинсона", Википедия, 24 июня 2020, получено 4 июля 2020

дальнейшее чтение