Når det gjelder vår kosmiske opprinnelse, har en rekke teorier blitt fremskredet gjennom historiens forløp. Bokstavelig talt har enhver kultur som noen gang har eksistert hatt sin egen mytologiske tradisjon, som naturlig nok inkluderte en skapelsesfortelling. Med fødselen av den vitenskapelige tradisjonen begynte forskere å forstå universet i form av fysiske lover som kunne testes og bevises.
Med begynnelsen av romalderen begynte forskere å teste kosmologiske teorier når det gjelder observerbare fenomener. Fra alt dette kom det fram en rekke teorier fra siste halvdel av 1900-tallet som forsøkte å forklare hvordan all materie og de fysiske lovene som styrte det, ble til. Av disse er Big Bang-teorien fortsatt den mest aksepterte, mens Steady-State Hypotesen historisk har vært dens største utfordrer.
Steady State-modellen sier at tettheten av materie i det ekspanderende universet forblir uendret over tid på grunn av den kontinuerlige skapelsen av materie. Med andre ord forblir det observerbare universet i det vesentlige det samme uansett tid eller sted. Dette plasserer det i skarp kontrast til teorien om at flertallet av saken ble opprettet i en enkelt hendelse (Big Bang) og har ekspandert siden den gang.
Origins
Mens forestillingen om et stabilt og uforanderlig univers har blitt omfavnet gjennom historien, var det først i den tidlige moderne perioden at forskere begynte å tolke dette i astrofysiske termer. Det første klare eksemplet på at dette ble argumentert i sammenheng med astronomi og kosmologi var i Isaac Newtons Matematiske prinsipper for naturfilosofi (Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica) utgitt i 1687.
I Newtons magnum opus konseptualiserte han universet utover solsystemet som et tomt rom som strakte seg ensartet i alle retninger til umålelige avstander. Han forklarte videre gjennom matematiske bevis og observasjoner at all bevegelse og dynamikk i dette systemet ble forklart gjennom det eneste prinsippet om universell gravitasjon.
Det som imidlertid skulle bli kjent som Steady State Hypothesis, dukket imidlertid ikke opp før på begynnelsen av det 20. århundre. Denne kosmologiske modellen ble inspirert av en rekke funn, samt gjennombrudd innen teoretisk fysikk. Disse inkluderer Albert Einsteins teori om generell relativitet og Edwin Hubbles observasjoner om at universet er i en ekspansjonstilstand.
Einstein formaliserte denne teorien i 1915 etter at han bestemte seg for å utvide sin teori om spesiell relativitet til å innlemme tyngdekraften. Til syvende og sist sier denne teorien at tyngdekraften til materie og energi direkte endrer krumningen av romtiden rundt den. Eller som den kjente teoretiske fysikeren John Wheeler oppsummerte det, “rom-tid forteller saken hvordan man skal bevege seg; materie forteller om tid for å kurve. ”
I 1917 viste teoretiske beregninger basert på Einsteins feltligninger at universet måtte være i enten en ekspansjonstilstand eller sammentrekning. I 1929 demonstrerte observasjoner gjort av George Lemaitre (som foreslo Big Bang Theory) og Edwin Hubble (ved hjelp av det 100-tommers Hooker-teleskopet ved Mount Wilson Observatory) at det siste var tilfelle.
Basert på disse avsløringene begynte en debatt i 1930-årene om den mulige opprinnelsen og den sanne naturen til universet. På den ene siden var det de som hevdet at universet var tidsbegrenset og utviklet seg over tid gjennom avkjøling, ekspansjon og dannelse av strukturer på grunn av gravitasjonskollaps. Denne teorien ble satirisk kalt "Big Bang" av Fred Hoyle, og navnet satt fast.
I mellomtiden holdt flertallet av astronomene den gang fast ved teorien om at mens det observerbare universet utvider seg, endrer det seg likevel ikke når det gjelder tettheten av materie. Kort sagt hevdet talsmenn for denne teorien at universet ikke har noen begynnelse, ingen ende, og at materien kontinuerlig skapes over tid - med en hastighet på ett hydrogenatom per kubikkmeter per 100 milliarder år.
Denne teorien utvidet også Einsteins kosmologiske prinsipp, også kjent. Cosmological Constant (CC), som Einstein foreslo i 1931. I følge Einstein var denne styrken ansvarlig for å "holde tilbake tyngdekraften" og sikre at universet forble stabilt, homogent og isotropisk med tanke på dets store struktur.
Ved å endre dette prinsippet og utvide det, argumenterte medlemmer av Steady State-tankegangen at det var den kontinuerlige skapelsen av materie som sørget for at universets struktur forble den samme over tid. Dette er ellers kjent som det perfekte kosmologiske prinsippet, som unpins Steady State Hypothesis.
Steady State-teorien ble allment kjent i 1948 med utgivelsen av to artikler: "En ny modell for et ekspanderende univers" av den engelske astronomen Fred Hoyle, og "The Steady-State Theory and the Expanding Universe" av den britisk-østerrikske astrofysikeren og kosmologteam av Hermann Bondi og Thomas Gold.
Viktige argumenter og spådommer
Argumenter til fordel for Steady State-hypotesen inkluderer det tilsynelatende tidsskala-problemet som reises av den observerte frekvensen av kosmisk ekspansjon (også kalt Hubble Constant eller Hubble-Lemaitre-loven). Basert på Hubbles observasjoner av nærliggende galakser, beregnet han at universet ekspanderte med en hastighet som økte systematisk med avstanden.
Dette ga opphav til ideen om at universet begynte å utvide seg fra et mye mindre romvolum. I mangel av akselerasjon / retardasjon - 500 km / s per Megaparsec (310 mps per Mpc) - betydde Hubble-konstanten at all materie har utvidet seg i omtrent 2 milliarder år - noe som også ville være universets øvre alder.
Dette funnet ble motsagt av radioaktiv datering, der forskere målte forfallshastigheten for forekomster av Uran-238 og Plutonium-205 i bergprøver. Ved hjelp av denne metoden ble de eldste prøvene av bergart (som hadde månens opprinnelse) anslått å være 4,6 milliarder år gamle. En annen inkongruitet dukket opp som et resultat av stjernen evolusjonsteori.
Kort fortalt gir hastigheten med hydrogen smeltet i det indre av stjerner (for å skape helium) et overslag over 10 milliarder år for kuleklynger - de eldste stjernene i galaksen. Dessuten kunne ingen evolusjon på store avstander ha skjedd i denne modellen - noe som vil bety at radiokilder - også. kvasarer eller Active Galactic Nuclei (AGNs) - ville være ensartet i hele universet.
Det vil også bety at Hubble Constant (som beregnet på begynnelsen av det 20. århundre) ville forbli konstant. Steady-state-modellen spådde også at den stadige opprettelsen av antimaterie og nøytroner ville resultere i regelmessige utslettelser og nøytronforfall, og dermed føre til eksistensen av en gammastrålebakgrunn og varm røntgenstråleutstrålende gass i hele universet.
Big Bang For The Win
Pågående observasjoner i løpet av 1950- og 1960-årene førte imidlertid stadig til at det ble bygd opp bevis mot Steady State-hypotesen. Disse inkluderer oppdagelsen av lyse radiokilder (aka. Kvasarer og radiogalakser) som ble oppdaget i fjerne galakser, men ikke de som var nærmest oss - noe som indikerer at mange galakser ble "radiostille" over tid.
I 1961 tillot undersøkelser av radiokilder statistiske analyser som utelukket muligheten for at lyse radiogalakser var jevnt fordelt. Et annet stort argument mot Steady State-hypotesen var oppdagelsen av den kosmiske mikrobølgebakgrunnen (CMB) i 1964, som Big Bang-modellen forutså.
Kombinert med fraværet av en gammastrålebakgrunn og gjennomgripende skyer av røntgenstråleutstrålende gass, ble Big Bang-modellen allment akseptert av 1960-tallet. Innen 1990-tallet, observasjoner med Hubble romteleskop og andre observatorier oppdaget også at kosmisk utvidelse ikke har vært konsistent over tid. I løpet av de siste tre milliarder årene har det faktisk gått fart.
Dette har ført til flere avgrensninger av Hubble-konstanten. Basert på data som er samlet inn av Wilkinson Microbiotech Anisotropy Probe (WMAP), er hastigheten for kosmisk ekspansjon for tiden beregnet til å være mellom 70 og 73,8 km / s per Mpc (43,5 til 46 mps per Mpc) med en 3% feilmargin. Disse verdiene er langt mer konsistente med observasjoner som plasserer universets alder på rundt 13,8 milliarder år.
Moderne varianter
Fra 1993 begynte Fred Hoyle og astrofysikerne Geoffrey Burbidge og Jayant V. Narlikar å publisere en serie studier der de foreslo en ny versjon av Steady State Hypothesis. Denne variasjonen, kjent som Quasi-Steady-State-hypotesen (QSS), forsøkte å forklare kosmologiske fenomener som den gamle teorien ikke sto for.
Denne modellen antyder at universet er et resultat av skapelseslommer (alias mini-smell) som har skjedd i løpet av mange milliarder år. Denne modellen ble endret som svar på data som viste hvordan universets ekspansjonshastighet akselererer. Til tross for disse modifikasjonene, anser det astronomiske samfunnet fremdeles Big Bang for å være den beste modellen for å forklare alle observerbare fenomener.
I dag er denne modellen kjent som Lambda-Cold Dark Matter (LCDM) -modellen, som inkorporerer nåværende teorier om Dark Matter og Dark Energy med Big Bang-teorien. Til tross for, er Steady State-hypotesen (og varianter derav) fremdeles forfektet av noen astrofysikere og kosmologer. Og det er ikke det eneste alternativet til Big Bang Cosmology ...
Vi har skrevet mange artikler om kosmologi her på Space Magazine. Her er Hva er universet, 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 ?, Hva er den kosmiske mikrobølgeovnbakgrunnen? , The Big Crunch: The End of Our Universe ?, What is the Big Freeze ?, og Cosmology 101: The End.
Astronomy Cast har også noen interessante episoder om emnet. Her er avsnitt 5: Big Bang og kosmisk mikrobølgeovnbakgrunn, avsnitt 6: More Evidence for the Big Bang, Episode 79: How Big is the Universe ?, Episode 187: History of Astronomy, Part 5: the 20th Century, and Episode 499: Hva er den foreslåtte Hubble-Lemaitre-loven?
kilder:
- Wikipedia - Kosmologisk prinsipp
- Wikipedia - Hypotese om jevn tilstand
- Ideer om kosmologi - Big Bang eller Steady State?
- Encyclopedia Britannica - Steady-State Theory
- UBC Astronomy and Astrophysics - Fundamental Issues in Cosmology
- “En ny modell for det ekspanderende universet,” Hoyle, F. MNRAS, vol. 108, gnr. 372 (1948)
- “Kvasi-jevn tilstand og relaterte kosmologiske modeller: En historisk gjennomgang,” Kragh. H. (2012)
- “The Steady State Theory of the Expanding Universe,” MNRAS, vol. 108, side 252 (1948)
- "Einsteins stabilitetsteori: en forlatt modell av kosmos," The European Physical Journal H, vol. 39, pg. 353-367 (2014)
- "En kvasi – stabil tilstand kosmologisk modell med skapelse av materie," Hoyle, F.; Burbidge, G .; Narlikar, J. V., Astrophysical Journal v. 410, p. 437 (1993)
