Historia teorii Wielkiego Wybuchu - History of the Big Bang theory
| Część serii na |
| Kosmologia fizyczna |
|---|
 |
Historia teorii Wielkiego Wybuchu rozpoczął z Big Bang rozwoju „s od obserwacji i rozważań teoretycznych. Większość prac teoretycznych w kosmologii obejmuje obecnie rozszerzenia i udoskonalenia podstawowego modelu Wielkiego Wybuchu. Sama teoria została pierwotnie sformalizowana przez belgijskiego katolickiego księdza, matematyka, astronoma i profesora fizyki Georgesa Lemaître'a .
Filozofia i średniowieczna skończoność temporalna
W filozofii średniowiecznej toczyło się wiele dyskusji na temat tego, czy wszechświat miał skończoną czy nieskończoną przeszłość (zob. skończoność temporalna ). Filozofia Arystotelesa utrzymywała, że wszechświat ma nieskończoną przeszłość, co powodowało problemy dla średniowiecznych filozofów żydowskich i islamskich, którzy nie byli w stanie pogodzić arystotelesowskiej koncepcji wieczności z Abrahamowym poglądem na stworzenie . W rezultacie , między innymi John Philoponus , Al-Kindi , Saadia Gaon , Al-Ghazali i Immanuel Kant , opracowali szereg logicznych argumentów przemawiających za skończoną przeszłością wszechświata .
W swoim traktacie z 1225 r. De Luce ( O świetle ), angielski teolog Robert Grosseteste badał naturę materii i kosmosu. Opisał narodziny wszechświata w eksplozji i krystalizacji materii, aby uformować gwiazdy i planety w zestawie zagnieżdżonych sfer wokół Ziemi. De Luce to pierwsza próba opisania nieba i Ziemi za pomocą jednego zestawu praw fizycznych.
W 1610 roku Johannes Kepler użył ciemnego nocnego nieba do argumentacji za skończonym wszechświatem. Siedemdziesiąt siedem lat później Izaak Newton opisał wielkoskalowy ruch we wszechświecie.
Opis wszechświata, który rozszerzał się i kurczył w sposób cykliczny, został po raz pierwszy przedstawiony w wierszu opublikowanym w 1791 roku przez Erazma Darwina . Edgar Allan Poe przedstawił podobny system cykliczny w swoim eseju z 1848 roku zatytułowanym Eureka: A Prose Poem ; nie jest to oczywiście praca naukowa, ale Poe, wychodząc od zasad metafizycznych, próbował wyjaśnić wszechświat przy pomocy współczesnej wiedzy fizycznej i umysłowej. Ignorowany przez społeczność naukową i często źle rozumiany przez krytyków literackich, jego naukowe implikacje zostały w ostatnich czasach przewartościowane.
Według Poego początkowy stan materii to pojedyncza „pierwotna cząstka”. „Boska Wola”, manifestująca się jako siła odpychająca, podzieliła Pierwotną Cząstkę na atomy. Atomy rozprzestrzeniają się równomiernie w przestrzeni, dopóki siła odpychania nie ustanie, a przyciąganie pojawia się jako reakcja: wtedy materia zaczyna się zbijać, tworząc gwiazdy i systemy gwiezdne, podczas gdy materialny wszechświat jest ściągany z powrotem przez grawitację, ostatecznie zapada się i ostatecznie powraca do Etap Pierwotnej Cząstki, aby ponownie rozpocząć proces odpychania i przyciągania. Ta część Eureki opisuje ewoluujący wszechświat Newtona, który ma wiele cech wspólnych z modelami relatywistycznymi iz tego powodu Poe antycypuje niektóre wątki współczesnej kosmologii.
Rozwój naukowy początku XX wieku
Obserwacyjnie, w latach 1910, Vesto Slipher, a później Carl Wilhelm Wirtz , ustalili, że większość mgławic spiralnych (teraz poprawnie zwanych galaktykami spiralnymi ) oddala się od Ziemi. Slipher użył spektroskopii do zbadania okresów rotacji planet, składu atmosfer planetarnych i jako pierwszy zaobserwował prędkości radialne galaktyk. Wirtz zaobserwował systematyczne przesunięcie ku czerwieni mgławic, co było trudne do zinterpretowania w kategoriach kosmologii, w której wszechświat jest mniej lub bardziej jednorodnie wypełniony gwiazdami i mgławicami. Nie byli świadomi implikacji kosmologicznych ani tego, że rzekome mgławice były w rzeczywistości galaktykami poza naszą Drogą Mleczną .
Również w tej dekadzie, Albert Einstein „s teoria względności została znaleziona przyznać żadnych statycznych kosmologicznych rozwiązań , biorąc pod uwagę podstawowe założenia kosmologii opisane w podstaw teoretycznych Big Bang . Wszechświat (tj. metryka czasoprzestrzenna) została opisana tensorem metrycznym, który albo się rozszerzał, albo kurczył (tj. nie był stały ani niezmienny). Ten wynik, pochodzący z oceny równań pola ogólnej teorii, początkowo skłonił samego Einsteina do uznania, że jego sformułowanie równań pola z ogólnej teorii może być błędne, i próbował to skorygować, dodając stałą kosmologiczną . Stała ta przywróciłaby opisowi czasoprzestrzeni w ogólnej teorii niezmienny tensor metryczny struktury przestrzeni/egzystencji. Pierwszą osobą, która poważnie zastosowała ogólną teorię względności do kosmologii bez stabilizującej stałej kosmologicznej, był Alexander Friedmann . Friedmann wyprowadził rozwiązanie rozszerzającego się wszechświata dla równań pola ogólnej teorii względności w 1922 roku. W 1924 roku Friedmann napisał w swoich pracach „ Uber die Möglichkeit einer Welt mit konstanter negatywner Krümmung des Raumes ” ( O możliwości świata o stałej ujemnej krzywiźnie ), który został opublikowany przez Berlin Akademia Nauk w dniu 7 stycznia 1924 r. Równania Friedmanna opisują wszechświat Friedmanna-Lemaitre-Robertsona-Walkera .
W 1927 roku belgijski ksiądz katolicki Georges Lemaitre zaproponował rozszerzający się model wszechświata, aby wyjaśnić obserwowane przesunięcia ku czerwieni mgławic spiralnych i obliczył prawo Hubble'a . Swoją teorię oparł na pracach Einsteina i De Sittera i niezależnie wyprowadził równania Friedmanna dla rozszerzającego się wszechświata. Również same przesunięcia ku czerwieni nie były stałe, ale zmieniały się w taki sposób, że można było wywnioskować, że istnieje wyraźna zależność między wielkością przesunięcia ku czerwieni mgławic, a ich odległością od obserwatorów.
W 1929 Edwin Hubble dostarczył obszernych podstaw obserwacyjnych dla teorii Lemaitre'a. Eksperymentalne obserwacje Hubble'a wykazały, że w stosunku do Ziemi i wszystkich innych obserwowanych ciał galaktyki oddalają się w każdym kierunku z prędkościami (obliczonymi na podstawie obserwowanych przesunięć ku czerwieni) wprost proporcjonalnych do ich odległości od Ziemi i siebie nawzajem. W 1929 roku Hubble i Milton Humason sformułowali empiryczne prawo odległości dla przesunięcia ku czerwieni galaktyk, znane obecnie jako prawo Hubble'a , które po zinterpretowaniu przesunięcia ku czerwieni jako miary szybkości recesji, jest zgodne z rozwiązaniami ogólnych równań względności Einsteina dla jednorodnych, izotropowa rozszerzająca się przestrzeń. Izotropowa natura ekspansji była bezpośrednim dowodem na to, że rozszerzała się sama przestrzeń (tkanka istnienia), a nie ciała w przestrzeni, które po prostu poruszały się dalej na zewnątrz i oddalały w nieskończenie większą, istniejącą wcześniej pustą pustkę. To ta interpretacja doprowadziła do koncepcji rozszerzającego się wszechświata. Prawo mówi, że im większa odległość między dowolnymi dwiema galaktykami, tym większa ich względna prędkość separacji. W 1929 Edwin Hubble odkrył, że większość wszechświata rozszerza się i oddala od wszystkiego innego. Jeśli wszystko oddala się od wszystkiego innego, należy pomyśleć, że wszystko było kiedyś bliżej siebie. Logiczny wniosek jest taki, że w pewnym momencie cała materia zaczęła się od jednego punktu o średnicy kilku milimetrów, zanim eksplodowała na zewnątrz. Było tak gorąco, że przez setki tysięcy lat składało się tylko z surowej energii, zanim mogła się uformować materia. Cokolwiek się wydarzyło, musiało wyzwolić niezgłębioną siłę, ponieważ wszechświat wciąż rozszerza się miliardy lat później. Teoria, którą opracował, aby wyjaśnić to, co odkrył, nazywa się teorią Wielkiego Wybuchu.
W 1931 Lemaître proponowane w jego „ Hypothese de l'Atome primitif ” (hipoteza pierwotnego atomu), że wszechświat rozpoczął się od „wybuchu” z „pierwotnego atomu ” - co było później zwany Wielkim Wybuchu. Lemaître po raz pierwszy uznał promienie kosmiczne za pozostałości po tym wydarzeniu, chociaż obecnie wiadomo, że pochodzą one z lokalnej galaktyki . Lemaitre musiał czekać na krótko przed śmiercią, aby dowiedzieć się o odkryciu kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła , pozostałości promieniowania po gęstej i gorącej fazie wczesnego Wszechświata.
Teoria Wielkiego Wybuchu a teoria stanu ustalonego
Prawo Hubble'a sugerowało, że wszechświat się rozszerzał, co jest sprzeczne z kosmologiczną zasadą, zgodnie z którą wszechświat oglądany w wystarczająco dużej skali odległości nie ma preferowanych kierunków ani preferowanych miejsc. Pomysł Hubble'a pozwolił na postawienie dwóch przeciwstawnych hipotez. Jednym z nich był Wielki Wybuch Lemaître'a, popierany i rozwijany przez George'a Gamowa . Drugim modelem był Fred Hoyle „s teoria stanu stacjonarnego , w którym nowa sprawa zostanie utworzony jako galaktyki odsunięte od siebie. W tym modelu wszechświat jest mniej więcej taki sam w dowolnym momencie. To właśnie Hoyle ukuł nazwę teorii Lemaître'a, odnosząc się do niej jako „ten pomysł „wielkiego wybuchu” podczas audycji radiowej w dniu 28 marca 1949 r. w programie trzecim BBC . Powszechnie mówi się, że Hoyle, który opowiadał się za alternatywnym modelem kosmologicznym „ stacjonarnym ”, chciał, by było to pejoratywne, ale Hoyle wyraźnie temu zaprzeczył i powiedział, że jest to po prostu uderzający obraz, mający na celu podkreślenie różnicy między tymi dwoma modelami. Hoyle powtórzył ten termin w kolejnych audycjach na początku 1950 roku, w ramach serii pięciu wykładów zatytułowanych The Nature of The Universe . Tekst każdego wykładu został opublikowany w The Listener tydzień po emisji, po raz pierwszy w druku pojawił się termin „big bang”. Gdy pojawiły się dowody na rzecz modelu Wielkiego Wybuchu, a konsensus stał się powszechny, sam Hoyle, choć nieco niechętnie, przyznał się do tego, formułując nowy model kosmologiczny, który inni naukowcy nazwali później „Stałym Wybuchem”.
1950 do 1990
Od około 1950 do 1965 r. poparcie dla tych teorii było równomiernie podzielone, z niewielką nierównowagą wynikającą z faktu, że teoria Wielkiego Wybuchu mogła wyjaśnić zarówno powstawanie, jak i obserwowane obfitości wodoru i helu , podczas gdy stan ustalony mógł wyjaśnić, w jaki sposób zostały utworzone, ale nie dlaczego mieliby mieć obserwowane obfitości. Jednak dowody obserwacyjne zaczęły potwierdzać ideę, że wszechświat ewoluował z gorącego, gęstego stanu. Zaobserwowano, że obiekty takie jak kwazary i radiogalaktyki występują znacznie częściej na dużych odległościach (a więc w odległej przeszłości) niż w pobliskim wszechświecie, podczas gdy stan ustalony przewidywał, że średnie właściwości Wszechświata powinny być niezmienne w czasie. Ponadto odkrycie kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła w 1964 r. uznano za dzwon pogrzebowy stanu ustalonego, chociaż przewidywania te były jedynie jakościowe i nie pozwalały przewidzieć dokładnej temperatury CMB. (Kluczowym przewidywaniem wielkiego wybuchu jest widmo ciała doskonale czarnego CMB, które nie zostało zmierzone z dużą dokładnością aż do COBE w 1990 r.). Po pewnym przeformułowaniu Wielki Wybuch został uznany za najlepszą teorię powstania i ewolucji kosmosu. Przed późnymi latami sześćdziesiątymi wielu kosmologów uważało, że nieskończenie gęstą i fizycznie paradoksalną osobliwość w początkowym okresie kosmologicznego modelu Friedmanna można było uniknąć, dopuszczając wszechświat, który kurczył się przed wejściem w gorący gęsty stan i ponownie zaczął się rozszerzać. Zostało to sformalizowane jako Richard Tolman „s oscylującego wszechświata . W latach sześćdziesiątych Stephen Hawking i inni wykazali, że ten pomysł jest niewykonalny, a osobliwość jest zasadniczą cechą fizyki opisanej przez grawitację Einsteina. To doprowadziło większość kosmologów do zaakceptowania poglądu, że wszechświat, jaki obecnie opisuje fizyka ogólnej teorii względności, ma skończony wiek. Jednak ze względu na brak teorii grawitacji kwantowej nie można stwierdzić, czy osobliwość jest rzeczywistym punktem początkowym wszechświata, czy też procesy fizyczne rządzące tym reżimem powodują, że wszechświat ma faktycznie wieczny charakter.
W latach 70. i 80. większość kosmologów akceptowała Wielki Wybuch, ale pozostało kilka zagadek, w tym nieodkrycie anizotropii w CMB i sporadyczne obserwacje wskazujące na odchylenia od widma ciała doskonale czarnego; dlatego teoria ta nie została bardzo mocno potwierdzona.
1990 r.
Ogromne postępy w kosmologii Wielkiego Wybuchu poczyniono w latach 90. i na początku XXI wieku w wyniku znacznych postępów w technologii teleskopowej w połączeniu z dużą ilością danych satelitarnych, takich jak COBE , Kosmiczny Teleskop Hubble'a i WMAP .
W 1990 roku pomiary z satelity COBE wykazały, że widmo CMB pasuje do ciała doskonale czarnego 2,725 K z bardzo wysoką precyzją; odchyłki nie przekraczają 2 części w100 000 . To pokazało, że wcześniejsze twierdzenia o odchyleniach spektralnych były błędne i zasadniczo dowiodły, że wszechświat był w przeszłości gorący i gęsty, ponieważ żaden inny znany mechanizm nie może wytworzyć ciała doskonale czarnego z tak dużą dokładnością. Dalsze obserwacje z COBE w 1992 roku odkryły bardzo małe anizotropie CMB w dużej skali, w przybliżeniu tak, jak przewidywano z modeli Wielkiego Wybuchu z ciemną materią . Od tego czasu modele niestandardowej kosmologii bez jakiejś formy Wielkiego Wybuchu stały się bardzo rzadkie w głównych czasopismach astronomicznych.
W 1998 roku pomiary odległych supernowych wykazały, że ekspansja Wszechświata przyspiesza, co zostało poparte innymi obserwacjami, w tym naziemnymi obserwacjami CMB i przeglądami z przesunięciem ku czerwieni dużych galaktyk. W latach 1999–2000 obserwacje CMB przenoszonego przez balony Boomerang i Maxima wykazały, że geometria Wszechświata jest bliska płaska, a następnie w 2001 r. badanie z przesunięciem ku czerwieni galaktyki 2dFGRS oszacowało średnią gęstość materii na około 25–30 procent gęstości krytycznej.
Od 2001 do 2010 roku, NASA „s WMAP sonda trwało bardzo szczegółowych zdjęć wszechświata za pomocą kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła. Obrazy można zinterpretować tak, aby wskazywały, że wszechświat ma 13,7 miliarda lat (z błędem jednego procenta) oraz że model Lambda-CDM i teoria inflacji są poprawne. Żadna inna teoria kosmologiczna nie potrafi jeszcze wyjaśnić tak szerokiego zakresu obserwowanych parametrów, od stosunku liczebności pierwiastków we wczesnym Wszechświecie do struktury mikrofalowego tła kosmicznego, obserwowanej większej liczebności aktywnych jąder galaktyk we wczesnym Wszechświecie i obserwowanych masy gromad galaktyk .
W 2013 i 2015 roku sonda Planck ESA opublikowała jeszcze bardziej szczegółowe zdjęcia mikrofalowego promieniowania tła, wykazując spójność z modelem Lambda-CDM z jeszcze większą precyzją.
Wiele z obecnych prac kosmologicznych obejmuje zrozumienie formowania się galaktyk w kontekście Wielkiego Wybuchu, zrozumienie tego, co wydarzyło się w najwcześniejszych czasach po Wielkim Wybuchu, oraz pogodzenie obserwacji z podstawową teorią. Kosmolodzy kontynuują obliczanie wielu parametrów Wielkiego Wybuchu na nowy poziom precyzji i przeprowadzają bardziej szczegółowe obserwacje, które mają dostarczyć wskazówek dotyczących natury ciemnej energii i ciemnej materii oraz przetestować teorię ogólnej teorii względności na kosmiczne skale.
Zobacz też
Bibliografia
Dalsza lektura
- Kragh, Helge (1999). Kosmologia i kontrowersje: rozwój historyczny dwóch teorii wszechświata . Wydawnictwo Uniwersytetu Princeton. Numer ISBN 978-0-691-00546-1.