Кіріспе

Космологиялық теорияның тарихы Үлкен жарылыс теориясының тарихы Үлкен жарылыс теориясының байқаулар мен теориялық қарастырулардан басталуымен басталды. Қазіргі кезде космологиядағы теориялық жұмыстардың көп бөлігі Үлкен жарылыс теориясының негізгі үлгісін кеңейту мен жетілдіруді қамтиды. Теорияның өзі алғаш рет 1927 жылы Жорж Лематр әкесінің қолымен ресми түрде жарияланды. Хабблдің ғаламның кеңеюі туралы заңы теорияның негізін қалады.

Философия және ортағасырлық уақыт шектілігі

Ортағасырлық философияда Әлемнің шекті немесе шексіз өткені туралы көп пікірталас болды (Темпоральді финитизмді қараңыз). Аристотельдің философиясы ғаламның шексіз өткені бар деп есептеді, бұл өткен еврей және ислам философтарына мәңгілік туралы Аристотельдік түсінікті жаратылыстың Ыбырайымдық көзқарасымен үйлестіре алмаған проблемалар тудырды. Нәтижесінде, Әлемнің шекті өткені бар екендігіне қатысты әртүрлі логикалық дәлелдерді басқалар арасында Джон Филопонус, Аль Кинди, Саадия Гаон, Аль Газали және Иммануил Кант әзірледі. Англиялық теолог Роберт Гросетест 1225 жылы "De Luce" (Нұр туралы) атты трактатында материя мен космостың табиғатын зерттеді. Ол ғаламның жарылыстан пайда болуын және материяның кристалдануын сипаттап, Жердің айналасындағы шақтар мен планеталар жиынтығында жұлдыздар мен планеталар пайда болғанын айтты. Де Люс - бұл аспан мен жерді физикалық заңдылықтардың бір жиынтығын қолдана отырып сипаттаудың алғашқы әрекеті. 1610 жылы Иоганн Кеплер қараңғы түнгі аспанды шекті ғаламның бар екендігіне дәлел ретінде қолданды. Жетпіс жеті жылдан кейін Исаак Ньютон ғаламның кең көлемдегі қозғалысын сипаттады. Циклдік түрде кеңейіп, қысқаратын ғаламның сипаттамасы алғаш рет 1791 жылы Эразм Дарвиннің поэмасында айтылған. Эдгар Аллан По 1848 жылы "Еврика: прозалық өлең" атты эссесінде ұқсас циклдік жүйені ұсынды; бұл, әрине, ғылыми еңбек емес, бірақ По метафизикалық принциптерден бастаған кезде, қазіргі физикалық және психикалық білімді қолдана отырып, ғаламды түсіндіруге тырысты. Ғылыми қауымның назарынан тыс қалған және әдебиет сыншыларының жиі түсінбейтін, оның ғылыми әсерлері соңғы уақытта қайта бағаланды. Поның айтуынша, материяның бастапқы күйі бір ғана "Түпкі бөлшегі" болды. "Құдайлық ерік" өзін кері қайтаратын күш ретінде танытып, бастапқы бөлшекті атомдарға бөлді. Атомдар кеңістікте біркелкі таралады, кері әсер ету күші тоқтағанша және тартылыс реакция ретінде пайда болады: содан кейін материя жұлдыздар мен жұлдыз жүйелерін құрайтын топтасуға кіріседі, ал материялық ғалам ауырлық күшімен қайтадан біріктіріледі, ақыр соңында құлдырап, түпкілікті бөлшектер кезеңіне қайта оралады. Евреканың бұл бөлігі релятивистік модельдермен бірқатар қасиеттерді бөлісетін Ньютонның дамып келе жатқан ғаламын сипаттайды және осы себепті По қазіргі заманғы космологияның кейбір тақырыптарын болжайды.

ХХ ғасырдың басындағы ғылыми жетістіктер

Байқаулар бойынша 1910 жылдары Весто Слифер және кейін Карл Вильгельм Виртц спиральды тұмандықтардың (қазір спиральды галактикалар деп аталады) көпшілігі Жерден алыстап бара жатқанын анықтады. Слайфер спектроскопияны планеталардың айналу кезеңдерін, планеталық атмосфералардың құрамын зерттеу үшін қолданды және галактикалардың радиалдық жылдамдықтарын алғаш рет бақылады. Виртц тұмандықтардың жүйелі түрде қызылға ауысуын байқады, оны ғаламшары жұлдыздар мен тұмандықтармен біркелкі толтырылған космология тұрғысынан түсіндіру қиын болды. Олар космологиялық мәнін, сондай-ақ бұлт тәрізді галактикалардың Шошқа жолынан тыс галактикалар екенін білмейтін. Сол онжылдықта Альберт Эйнштейннің жалпы салыстырмалылық теориясы, Big Bang теориялық негіздерінде сипатталған космологияның негізгі болжамдарын ескере отырып, статикалық космологиялық шешімдерді мойындамайтыны анықталды. Ғалам (яғни, кеңістік-уақыт метрикасы) кеңейіп немесе қысқарып жатқан (яғни, тұрақты немесе инвариант емес) метрикалық тензормен сипатталды. Жалпы теорияның өріс теңдеулерін бағалаудан алынған бұл нәтиже, алдымен, Эйнштейннің өзі оның жалпы теорияның өріс теңдеулерін құруы қате болуы мүмкін деп ойлауға мәжбүр етті және ол оны космологиялық тұрақтыны қосу арқылы түзетуге тырысты. Бұл тұрақты кеңістік-болу тінтірігі үшін жалпы теорияның кеңістік-уақыт сипаттамасына инвариант метрикалық тензорды қалпына келтіреді. Жалпы салыстырмалылықты космологияға тұрақтандырушы космологиялық тұрақтысыз қолданған алғашқы адам Александр Фридман болды. Фридман 1922 жылы жалпы салыстырмалылық теориясының өріс теңдеулеріне кеңейіп жатқан ғаламның шешімін шығарды. Фридманның 1924 жылғы еңбектеріне "Өзге әлемнің тұрақты теріс қисықтығы бар әлемнің мүмкіндігі туралы" (Өзге әлемнің тұрақты теріс қисықтығы бар әлемнің мүмкіндігі туралы) деген тақырып кіреді. Оны 1924 жылы 7 қаңтарда Берлин ғылым академиясы жариялады. Фридманн теңдеулері Фридманн Лемайтр Робертсон Уокер ғаламшарын сипаттайды. 1927 жылы бельгиялық физик Жорж Леметр спиральды тұмандықтардың байқалатын қызыл ауытқуларын түсіндіру үшін ғаламның кеңейіп жатқан моделін ұсынды және Хаббл заңының есебін жасады. Ол өзінің теориясын Эйнштейн мен Де Ситтердің жұмысына негіздеді және кеңейіп жатқан ғалам үшін Фридманн теңдеулерін өз бетінше шығарды. Сонымен қатар, қызыл ауысудың өзі тұрақты емес, бірақ бұлт тәрізділердің қызыл ауысу мөлшері мен байқаушылардан қашықтығы арасында нақты байланыс бар деген тұжырымға әкелетін түрде өзгерді. 1929 жылы Эдвин Хаббл Лемайтр теориясының толық байқау негізін ұсынды. Хабблдің эксперименталды бақылаулары Жер мен басқа да барлық бақыланатын денелерге қатысты галактикалар Жерден және бір-бірінен алыстығына тікелей пропорционалды жылдамдықпен (олардың байқалатын қызыл ауысуынан есептелген) әр бағытта артқа шегінуде екенін анықтады. 1929 жылы Хаббл мен Милтон Хумасон галактикалардың эмпирикалық қызыл ауытқу қашықтық заңы, қазіргі кезде Хаббл заңы деп аталады, ол қызыл ауытқу рецессия жылдамдығының өлшемі ретінде түсіндірілгеннен кейін, Эйнштейннің жалпы салыстырмалылық теңдеулерінің біртекті, изотроптық кеңейіп жатқан ғалам үшін шешімдерімен сәйкес келеді. Бұл заңда екі галактика арасындағы қашықтық неғұрлым үлкен болса, олардың салыстырмалы түрде бөліну жылдамдығы соғұрлым жоғары болады. 1929 жылы Эдвин Хаббл ғаламның көп бөлігі кеңейіп, басқа нәрселерден алыстап бара жатқанын анықтады. Егер барлық нәрсе басқа нәрселерден алыстап бара жатса, онда бір кезде барлық нәрсе бір-біріне жақын болған деп ойлау керек. Логикалық қорытынды бойынша, барлық материя бір мезгілде бірнеше миллиметрден басталып, кейін жарылып шығады. Ол өте ыстық болғандықтан, материяның пайда болуына жүздеген мың жыл бұрын тек энергиядан ғана тұрды. Қандай жағдай болмасын, ғалам миллиардтаған жылдар бойы кеңейіп келе жатқандықтан, оның үстіне бір ғаламат күш пайда болған. Ол өзінің жаңалықтарын түсіндіру үшін ойлап тапқан теорияны "Биг Бенг" теориясы деп атайды. 1931 жылы Лемейтр өзінің "hypothèse de l'atome primitif" (алғашқы атом гипотезасы) деген тұжырымдауында ғаламның "алғашқы атомның" "жарылысымен" басталғанын ұсынды, кейіннен оны Үлкен жарылыс деп атады. Лематр алғаш рет ғарыш сәулелерін оқиғаның қалдықтары деп қабылдады, бірақ қазір олардың жергілікті галактикадан пайда болғаны белгілі. Лематр ғаламның ыстық және тығыз фазасының қалдық сәулеленуін - космостық мик�...

Үлкен жарылыс теориясы мен тұрақты күй теориясы

Хаббл заңы ғаламның кеңейіп жатқанын, ғаламның жеткілікті үлкен қашықтық шкалаларында қаралғанда, оның артықшылықты бағыттары немесе артықшылықты орындары жоқ деген космологиялық қағидаға қайшы келетінін білдірді. Хабблдің идеясы екі қарама-қарсы гипотезаның ұсынылуына мүмкіндік берді. Олардың бірі - Джордж Гамов ұсынған және дамытқан Лематрдің Үлкен жарылысы. Екінші модель Фред Хойлдің тұрақты күй теориясы болды, онда галактикалар бір-бірінен алыстаған сайын жаңа материя пайда болады. Бұл модельде ғалам кез келген уақытта бірдей болады. Лемэтр теориясының атын алғаш рет айтқан Хойл еді, ол оны "бұл" үлкен жарылыс "идеясы" деп атап өтті. Көпшілік арасында "тұрақты күй" космологиялық моделінің жақтасы болған Хойлдің бұл көріністі кемсітуші деп қарастырғаны айтылады, бірақ Хойл мұны ашық түрде жоққа шығарды және бұл екі модель арасындағы айырмашылықты көрсету үшін жасалған таңғажайып сурет деп айтты. 1950 жылдың басында Хойл "Адамның табиғаты" атты бес лекция сериясының бір бөлігі ретінде бұл терминді тағы да қайталады. Әр баяндаманың мәтіні радио хабарларын таратудан кейін бір апта өткен соң The Listener журналында жарияланды, бұл "үлкен жарылыс" термині баспа бетінде алғаш рет пайда болды. Үлкен жарылыс моделінің пайдасына дәлелдер жиналып, консенсус кеңінен тараған сайын, Хойлдің өзі, біраз ұнжырғасы түсіп тұрса да, басқа ғалымдар кейіннен "Тұрақты жарылыс" деп атаған жаңа космологиялық модельді тұжырымдап, оны мойындады.

1950 жылдан 1990 жылға дейін

1950-1965 жылдар аралығында осы теорияларды қолдау тең бөлінді, Үлкен жарылыс теориясы сутек пен гелийдің пайда болуын және байқалған молдықтарын түсіндіре алатын, ал тұрақты күйде олар қалай пайда болғандығын түсіндіре алатын, бірақ неге байқалған молдықтары болуы керектігін түсіндіре алмады. Алайда, бақылаулар ғаламның ыстық тығыз күйден пайда болғанын растай бастады. Квазарлар мен радиогалактикалар сияқты объектілер жақын ғаламнан гөрі үлкен қашықтықта (осылайша алыс өткенде) жиі кездесетінін байқады, ал тұрақты күй ғаламның орташа қасиеттері уақытпен өзгермеуі керек деп болжады. Сонымен қатар, 1964 жылы ғаламдық микротолқынды фондық сәулеленудің ашылуы тұрақты күйдің өлім саңылауы деп саналды, дегенмен бұл болжам тек сапалық болған және КМБ-ның нақты температурасын болжауға мүмкіндік бермеді. (Ұлы жарылыс болжамының басты бөлігі - бұл КМБ-ның қара дене спектрі, ол 1990 жылы COBE-ге дейін жоғары дәлдікпен өлшенген жоқ). Кейбір қайталаулардан кейін Үлкен жарылыс ғаламның пайда болуы мен эволюциясының ең жақсы теориясы ретінде қарастырылды. 1960 жылдардың аяғына дейін көптеген космологтар Фридманның космологиялық моделінің басталу уақытындағы шексіз тығыз және физикалық парадоксалды сингулярлықтан ыстық тығыз күйге кірмес бұрын жиырылатын және қайтадан кеңейе бастайтын ғаламға жол беру арқылы аулақ болу мүмкін деп ойлады. Бұл Рихард Толманның тербелісті ғалам ретінде ресмилендірілді. Алпысыншы жылдары Стивен Хокинг және басқалар бұл идеяның мүмкін еместігін дәлелдеді, ал сингулярлық - Эйнштейннің гравитациясымен сипатталған физиканың негізгі ерекшелігі. Бұл ғаламтанушылардың көпшілігін ғаламның қазіргі кезде жалпы салыстырмалылық теориясы физикасымен сипатталған белгілі бір жасқа ие деген түсінікті қабылдауға итермеледі. Алайда кванттық гравитация теориясының жоқтығынан сингулярлық ғаламның нақты шығу нүктесі ме, әлде оны басқаратын физикалық процестер ғаламның мәңгілік сипатқа ие болуына себепші бола ма, бұл туралы айтуға жол жоқ. 1970 және 1980 жылдары ғаламтанушылардың көпшілігі Үлкен жарылысты қабылдады, бірақ бірнеше жұмбақтар қалды, соның ішінде КМБ-да анизотропияның табылмауы және қара дене спектрінен ауытқуларға нұсқаған кездейсоқ байқаулар; осылайша теория өте қатты расталған жоқ.