När det gäller vårt kosmiska ursprung har ett antal teorier tagits fram genom historiens gång. Bokstavligen har varje kultur som någonsin existerat haft sin egen mytologiska tradition, som naturligtvis inkluderade en skapelseshistoria. När den vetenskapliga traditionen föddes började forskare att förstå universum i termer av fysiska lagar som kunde testas och bevisas.
Med rymdålderns gryning började forskare testa kosmologiska teorier när det gäller observerbara fenomen. Från allt detta framkom ett antal teorier från senare hälften av 1900-talet som försökte förklara hur all materia och de fysiska lagarna som reglerar det kom till. Av dessa förblir Big Bang-teorin den mest accepterade medan Steady-State-hypotesen historiskt har varit dess största utmanare.
Steady-state-modellen säger att materialets täthet i det expanderande universum förblir oförändrat över tid på grund av den kontinuerliga skapandet av materia. Med andra ord förblir det observerbara universum i princip detsamma oavsett tid eller plats. Detta står i skarp kontrast till teorin om att majoriteten av materien skapades i en enda händelse (Big Bang) och har expanderat sedan dess.
Origins
Medan idén om ett stabilt och oföränderligt universum har omfamnats genom historien, var det inte förrän den tidiga moderna perioden som forskare började tolka detta på astrofysiska termer. Det första tydliga exemplet på detta som argumenterades i samband med astronomi och kosmologi var i Isaac Newtons Matematiska principer för naturfilosofi (Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica) publicerad 1687.
I Newtons magnum opus föreställde han universum bortom solsystemet som ett tomt utrymme som sträckte sig enhetligt i alla riktningar till omätliga avstånd. Han förklarade vidare genom matematiska bevis och observationer att all rörelse och dynamik i detta system förklarades genom den enda principen om universell gravitation.
Men vad som skulle bli känt som Steady State-hypotesen uppstod inte förrän i början av 1900-talet. Denna kosmologiska modell inspirerades av ett antal upptäckter samt genombrott inom teoretisk fysik. Dessa inkluderade Albert Einsteins teori om allmän relativitet och Edwin Hubbles iakttagelser att universum befinner sig i ett expansionsläge.
Einstein formaliserade denna teori 1915 efter att ha beslutat att utvidga sin teori om specialrelativitet för att införliva tyngdkraften. I slutändan säger denna teori att gravitationskraften mellan materia och energi direkt förändrar rymdtidens krökning runt den. Eller som den berömda teoretiska fysikern John Wheeler sammanfattade det, ”rymdtid berättar hur man rör sig; materien berättar för rymden hur man böjer sig. ”
År 1917 visade teoretiska beräkningar baserade på Einsteins fältekvationer att universum måste vara i antingen ett tillstånd av expansion eller sammandragning. År 1929 visade observationer gjorda av George Lemaitre (som föreslog Big Bang Theory) och Edwin Hubble (med 100-tums Hooker-teleskopet vid Mount Wilson Observatory) att det senare var fallet.
Baserat på dessa avslöjanden började en debatt på 1930-talet om universums möjliga ursprung och sanna natur. På ena sidan fanns det de som hävdade att universum var begränsade i ålder och utvecklades över tid genom kylning, expansion och bildandet av strukturer på grund av gravitations kollaps. Denna teori kallades satiriskt "Big Bang" av Fred Hoyle, och namnet fastnade.
Samtidigt höll majoriteten av astronomerna vid den tiden i teorin att medan det observerbara universum expanderar ändrar det ändå inte i fråga om materiens täthet. Kort sagt, förespråkare av denna teori hävdade att universum inte har någon början, inget slut, och att materien kontinuerligt skapas över tid - i en takt av en väteatom per kubikmeter per 100 miljarder år.
Denna teori utvidgade också Einsteins kosmologiska princip, alias. Kosmologisk konstant (CC), som Einstein föreslog 1931. Enligt Einstein var denna styrka ansvarig för att ”hålla tillbaka tyngdkraften” och se till att universum förblev stabilt, homogent och isotropiskt med tanke på dess storskaliga struktur.
Genom att ändra denna princip och utvidga den argumenterade medlemmar av Steady State-tankeskolan att det var den kontinuerliga skapandet av materia som säkerställde att universums struktur förblev densamma över tiden. Detta är annars känt som den perfekta kosmologiska principen, som avknippar den stadiga hypotesen.
Steady State-teorin blev allmänt känd vid 1948 med publiceringen av två artiklar: "En ny modell för ett expanderande universum" av den engelska astronomen Fred Hoyle och "The Steady-State Theory and the Expanding Universe" av den brittisk-österrikiska astrofysikern och kosmologteam av Hermann Bondi och Thomas Gold.
Viktiga argument och förutsägelser
Argument till förmån för den stabila tillståndshypotesen inkluderar det uppenbara tidsskalaproblemet som tas upp av den observerade graden av kosmisk expansion (alias Hubble Constant eller Hubble-Lemaitre lagen) Baserat på Hubbles observationer av närliggande galaxer beräknade han att universum expanderade med en hastighet som ökade systematiskt med avståndet.
Detta gav upphov till idén att universum började expandera från en mycket mindre volym. I avsaknad av acceleration / retardation - 500 km / s per Megaparsec (310 mps per Mpc) innebar Hubble Constant att all materia har expanderat i cirka 2 miljarder år - vilket också skulle vara universumets övre ålder.
Denna konstatering motsägs av radioaktiv datering, där forskare mätte hastigheten för sönderfall för avlagringar av Uranium-238 och Plutonium-205 i bergprover. Med hjälp av denna metod uppskattades de äldsta klippproven (som var lunar i ursprung) vara 4,6 miljarder år gamla. En annan inkongruitet uppstod som ett resultat av stellar evolutionsteori.
Kort sagt, den hastighet med vilken väte smälts in i stjärnorna (för att skapa helium) ger en uppskattning på övre ålder på 10 miljarder år för kulakluster - de äldsta stjärnorna i galaxen. Dessutom kunde ingen utveckling på stora avstånd ha inträffat i denna modell - vilket skulle betyda att radiokällor - alias. kvasarer eller Active Galactic Nuclei (AGN) - skulle vara enhetliga i hela universum.
Det skulle också innebära att Hubble Constant (som beräknas i början av 1900-talet) skulle förbli konstant. Steady-state-modellen förutspådde också att en stadig skapande av antimateria och neutroner skulle resultera i regelbundna förintelser och neutronförfall, vilket således ledde till att det finns en gammastrålebakgrund och varm, röntgenstrålande gas i hela universum.
Big Bang For The Win
Pågående observationer under 1950- och 1960-talet ledde emellertid stadigt till en uppbyggnad av bevis mot Steady State-hypotesen. Dessa inkluderade upptäckten av ljusa radiokällor (alias kvasarer och radiogalaxer) som upptäcktes i avlägsna galaxer men inte de närmast oss - vilket indikerar att många galaxer blev "radiostilla" med tiden.
År 1961 möjliggjorde undersökningar av radiokällor att statistiska analyser kunde göras, vilket utesluter möjligheten att ljusa radiogalaxer var jämnt fördelade. Ett annat stort argument mot Steady State-hypotesen var upptäckten av den kosmiska mikrovågsugnbakgrunden (CMB) 1964, som Big Bang-modellen förutspådde.
I kombination med frånvaron av en gammastrålebakgrund och genomgripande moln av röntgenstrålande gas blev Big Bang-modellen allmänt accepterad av 1960-talet. Vid 1990-talet, observationer med Hubble rymdteleskop och andra observatorier upptäckte också att kosmisk expansion inte har varit konsekvent över tid. Under de senaste tre miljarder åren har det faktiskt accelererat.
Detta har lett till flera förbättringar av Hubble Constant. Baserat på data som samlats in av Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) beräknas hastigheten för den kosmiska expansionen för närvarande vara mellan 70 och 73,8 km / s per Mpc (43,5 till 46 mps per Mpc) med en 3% felmarginal. Dessa värden överensstämmer mycket mer med observationer som placerar universums ålder på cirka 13,8 miljarder år.
Moderna varianter
Från och med 1993 började Fred Hoyle och astrofysikerna Geoffrey Burbidge och Jayant V. Narlikar publicera en serie studier där de föreslog en ny version av Steady State Hypothesis. Känd som den Quasi-Steady-statliga hypotesen (QSS), denna variation försökte förklara kosmologiska fenomen som den gamla teorin inte redogjorde för.
Denna modell antyder att universum är ett resultat av skapande fickor (alias mini-bangs) som inträffade under många miljarder år. Denna modell modifierades som svar på data som visade hur universums expansionshastighet accelererar. Trots dessa ändringar anser det astronomiska samhället fortfarande att Big Bang är den bästa modellen för att förklara alla observerbara fenomen.
Idag är denna modell känd som Lambda-Cold Dark Matter (LCDM) -modellen, som innehåller aktuella teorier om Dark Matter och Dark Energy med Big Bang-teorin. Trots detta förespråkas fortfarande Steady State-hypotesen (och varianter därav) av några astrofysiker och kosmologer. Och det är inte det enda alternativet till Big Bang Cosmology ...
Vi har skrivit många artiklar om kosmologi här på Space Magazine. Här är Vad är universum, Big Bang Theory: Evolution of Our Universe, What is the Oscillating Universe Theory ?, What is The Big Rip ?, What is the Multiverse Theory ?, What is Superstring Theory ?, Vad är den kosmiska mikrovågsbakgrunden? , The Big Crunch: The End of Our Universe ?, What is the Big Freeze ?, och Cosmology 101: The End.
Astronomy Cast också några intressanta avsnitt om ämnet. Här är avsnitt 5: Big Bang och kosmisk mikrovågsugnbakgrund, avsnitt 6: More Evidence for the Big Bang, avsnitt 79: How Big is the Universe ?, Avsnitt 187: Historia om astronomi, del 5: 1900-talet och avsnitt 499: Vad är den föreslagna Hubble-Lemaitre-lagen?
källor:
- Wikipedia - Kosmologiskt princip
- Wikipedia - Steady-State Hypothesis
- Idéer om kosmologi - Big Bang eller Steady State?
- Encyclopedia Britannica - Steady-State Theory
- UBC Astronomy and Astrophysics - Grundläggande problem i kosmologi
- "En ny modell för det expanderande universum," Hoyle, F. MNRAS, vol. 108, nr. 372 (1948)
- "Kvasi-stadigt tillstånd och relaterade kosmologiska modeller: en historisk recension," Kragh. H. (2012)
- "Det stadiga teorin för det expanderande universum," MNRAS, vol. 108, sid. 252 (1948)
- "Einsteins stabilitetsteori: en övergiven modell av kosmos," European Physical Journal H, vol. 39, sid. 353-367 (2014)
- ”En kvasi – stadig tillstånds kosmologisk modell med skapande av materia,” Hoyle, F.; Burbidge, G .; Narlikar, J. V., Astrophysical Journal v. 410, p. 437 (1993)
