Czym jest teoria stanu ustalonego w kosmologii?

Victor Habbick Wizje/Getty Images

Teoria stanu ustalonego była teorią zaproponowaną w XX wieku kosmologia wyjaśnić dowody na to, że wszechświat się rozszerzał, ale nadal zachować podstawową ideę, że wszechświat zawsze wygląda tak samo, a zatem jest niezmienny w praktyce i nie ma początku ani końca. Pomysł ten został w dużej mierze zdyskredytowany ze względu na dowody astronomiczne, które sugerują, że wszechświat w rzeczywistości zmienia się w czasie.

Tło i rozwój teorii stanu ustalonego

KiedyEinsteinstworzył jego teoria ogólnej teorii względności , wczesna analiza wykazała, że ​​stworzyła wszechświat, który był niestabilny (rozszerzał się lub kurczył), a nie statyczny wszechświat, który zawsze zakładano. Einstein również przyjął to założenie o statycznym wszechświecie, więc wprowadził do swoich równań pola ogólnej teorii względności termin zwany stała kosmologiczna . Służyło to utrzymywaniu wszechświata w stanie statycznym. Jednak kiedy Edwina Hubble'a odkryli dowody na to, że odległe galaktyki w rzeczywistości oddalają się od Ziemi we wszystkich kierunkach, naukowcy (w tym Einstein) zdali sobie sprawę, że wszechświat nie wydaje się być statyczny i termin ten został usunięty.​

Teoria stanu stacjonarnego została po raz pierwszy zaproponowana przez Sir Jamesa Jeansa w latach dwudziestych XX wieku, ale naprawdę nabrała rozpędu w 1948 roku, kiedy została przeformułowana przez Fred Hoyle , Thomas Gold oraz Hermanna Bondiego. Istnieje wątpliwa historia, że ​​wymyślili teorię po obejrzeniu filmu „Dead of Night”, który kończy się dokładnie tak, jak się zaczął.

Hoyle szczególnie stał się głównym orędownikiem tej teorii, zwłaszcza w opozycji do teoria wielkiego podrywu . W rzeczywistości w brytyjskiej audycji radiowej Hoyle ukuł termin „big bang” nieco szyderczo, aby wyjaśnić przeciwną teorię.

W swojej książce „Parallel Worlds” fizyk Michio Kaku dostarcza jednego rozsądnego uzasadnienia dla oddania Hoyle'a modelowi stanu ustalonego i sprzeciwu wobec modelu Wielkiego Wybuchu:

Jednym z defektów teorii [wielkiego wybuchu] było to, że Hubble, z powodu błędów w pomiarach światła z odległych galaktyk, błędnie obliczył wiek wszechświata na 1,8 miliarda lat. Geolodzy twierdzili, że Ziemia i Układ Słoneczny miały prawdopodobnie wiele miliardów lat. Jak wszechświat mógł być młodszy od swoich planet?

W swojej książce „Endless Universe: Beyond the Big Bang” kosmolodzy Paul J. Steinhardt oraz Neil Turok są nieco mniej przychylne postawie i motywacji Hoyle'a:

W szczególności Hoyle uważał Wielki Wybuch za odrażający, ponieważ był zaciekle antyreligijny i uważał, że obraz kosmologiczny jest niepokojąco bliski relacji biblijnej. Aby uniknąć wybuchu, on i jego współpracownicy byli gotowi rozważać ideę, że materia i promieniowanie są nieustannie tworzone w całym wszechświecie w taki sposób, aby utrzymać stałą gęstość i temperaturę w miarę rozszerzania się wszechświata. Ten stabilny obraz był ostatnim bastionem zwolenników niezmiennej koncepcji wszechświata, rozpoczynając trwającą trzy dekady bitwę z zwolennikami modelu Wielkiego Wybuchu.

Jak wskazują te cytaty, głównym celem teorii stanu stacjonarnego było wyjaśnienie rozszerzania się wszechświata bez konieczności mówienia tego wszechświat jako całość wygląda inaczej w różnych momentach. Jeśli wszechświat w dowolnym momencie wygląda w zasadzie tak samo, nie ma potrzeby zakładać początku ani końca. Jest to powszechnie znane jako doskonała zasada kosmologiczna. Głównym sposobem, w jaki Hoyle (i inni) był w stanie zachować tę zasadę, było zaproponowanie sytuacji, w której wszechświat rozszerzał się, powstały nowe cząstki. Ponownie, jak przedstawił Kaku:

W tym modelu fragmenty wszechświata w rzeczywistości rozszerzały się, ale nowa materia była ciągle tworzona z niczego, tak że gęstość wszechświata pozostała taka sama... Hoyle'owi wydawało się nielogiczne, że może pojawić się ognisty kataklizm znikąd, by wysłać galaktyki pędzące we wszystkich kierunkach; wolał płynne tworzenie masy z niczego. Innymi słowy, wszechświat był ponadczasowy. Nie miał końca ani początku. Po prostu było.

Obalanie teorii stanu ustalonego

Dowody przeciwko teorii stanu ustalonego rosły wraz z odkryciem nowych dowodów astronomicznych. Na przykład niektóre cechy odległych galaktyk (takie jakkwazaryi galaktyki radiowe) nie były widoczne w bliższych galaktykach. Ma to sens w teorii Wielkiego Wybuchu, gdzie odległe galaktyki faktycznie reprezentują „młodsze” galaktyki, a bliższe są starsze, ale teoria stanu stacjonarnego nie ma realnego sposobu na wyjaśnienie tej różnicy. W rzeczywistości jest to dokładnie ten rodzaj różnicy, której teoria została zaprojektowana, aby uniknąć.

Jednak ostateczny „gwóźdź do trumny” kosmologii stacjonarnej pochodził z odkrycia kosmologii mikrofalowe promieniowanie tła , który był przewidziany jako część teorii Wielkiego Wybuchu, ale nie miał absolutnie żadnego powodu, by istnieć w teorii stanu ustalonego.

W 1972 roku Steven Weinberg powiedział o dowodach sprzeciwiających się kosmologii stanu ustalonego:

W pewnym sensie ta niezgoda jest zasługą modelu; jako jedyny spośród wszystkich kosmologii model stanu stacjonarnego zawiera tak precyzyjne przewidywania, że ​​można go obalić nawet przy ograniczonych dowodach obserwacyjnych, jakimi dysponujemy.

Teoria stanu quasi-stacjonarnego

Nadal istnieją naukowcy, którzy badają teorię stanu ustalonego w postaci teoria stanu quasi-stacjonarnego . Nie jest powszechnie akceptowany wśród naukowców i pojawiło się wiele krytyki, które nie zostały odpowiednio uwzględnione.

Źródła

- Złoto, Tomaszu. Kompletny słownik biografii naukowej, Charles Scribner's Sons, Encyclopedia.com, 2008.

Kaku, Michio. „Równoległe światy: podróż przez tworzenie, wyższe wymiary i przyszłość kosmosu”. Wydanie pierwsze, Doubleday, 28 grudnia 2004 r.

Keim, Brandon. „Fizyk Neil Turok: Wielki Wybuch nie był początkiem”. Przewodowy, 19 lutego 2008 r.

— Paul J. Steinhardt. Wydział Fizyki, Uniwersytet Princeton, 2019, Princeton, New Jersey.

„Teoria stanu ustalonego”. Encyklopedia Nowego Świata, 21 października 2015 r.

Steinhardt, Paul J. „Nieskończony wszechświat: poza Wielkim Wybuchem”. Neil Turok, wydanie piąte lub późniejsze, Doubleday, 29 maja 2007.

Doc. – Fred Hoyle. Znani naukowcy, 2019.