Введение

История космологической теории История теории Большого взрыва началась с развития Большого взрыва из наблюдений и теоретических соображений. Большая часть теоретической работы в космологии теперь включает расширения и усовершенствования базовой модели Большого взрыва. Сама теория была первоначально формализована отцом Жоржем Лематре в 1927 году. Закон расширения Вселенной Хаббла обеспечивал фундаментальную поддержку теории.

Философия и средневековый временный финитизм

В средневековой философии велись споры о том, имеет ли Вселенная конечное или бесконечное прошлое (см. Временный финитизм). Философия Аристотеля считала, что Вселенная имеет бесконечное прошлое, что создавало проблемы для прошлых еврейских и исламских философов, которые не смогли примирить аристотелевскую концепцию вечности с авраамическим взглядом на творение. В результате, различные логические аргументы для Вселенной, имеющей конечное прошлое, были разработаны, среди прочих, Джоном Филопоносом, Аль Кинди, Саадией Гаон, Аль Газали и Иммануилом Кантом. Английский богослов Роберт Гросесте исследовал природу материи и космоса в своем трактате 1225 года De Luce (О свете). Он описал рождение Вселенной в результате взрыва и кристаллизацию материи, чтобы сформировать звезды и планеты в наборе вложенных сфер вокруг Земли. Де Люс - первая попытка описать небо и Землю, используя единый набор физических законов. В 1610 году Иоганн Кеплер использовал темное ночное небо, чтобы доказать существование конечной Вселенной. Семьдесят семь лет спустя Исаак Ньютон описал крупномасштабное движение во Вселенной. Описание Вселенной, которая циклически расширяется и сжимается, впервые было выдвинуто в стихотворении, опубликованном в 1791 году Эразмом Дарвином. Эдгар Аллан По представил аналогичную циклическую систему в своем эссе 1848 года под названием "Еврика: поэма в прозе"; это, очевидно, не научная работа, но По, исходя из метафизических принципов, пытался объяснить вселенную, используя современные физические и умственные знания. Не обращая внимания на научные сообщества и часто неправильно понимаемые литературными критиками, его научные последствия были переоценены в последнее время. По словам По, первоначальное состояние материи было одной "первичной частицей". "Божественная Воля", проявляющая себя как отталкивающая сила, раздробила Первобытную Частицу на атомы. Атомы распространяются равномерно по всему пространству, пока не прекращается сила отталкивания, и притяжение появляется как реакция: затем материя начинает собираться вместе, образуя звезды и звездные системы, в то время как материальная вселенная сжимается обратно вместе гравитацией, в конечном итоге разрушается и в конечном итоге возвращается к стадии Первобытной частицы, чтобы снова начать процесс отталкивания и притяжения. Эта часть "Еврики" описывает Ньютоновскую развивающуюся Вселенную, которая разделяет ряд свойств с релятивистскими моделями, и по этой причине По предвосхищает некоторые темы современной космологии.

Научные достижения начала XX века

В 1910-х годах Весто Слифер и позже Карл Вильгельм Виртц установили, что большинство спиральных туманностей (ныне называемых спиральными галактиками) отступают от Земли. Слифер использовал спектроскопию для исследования периодов вращения планет, состава планетарных атмосфер и первым наблюдал радиальные скорости галактик. Виртц наблюдал систематическое красное смещение туманностей, которое было трудно интерпретировать с точки зрения космологии, в которой Вселенная заполнена более или менее равномерно звездами и туманностями. Они не знали ни о космических последствиях, ни о том, что эти предполагаемые туманности на самом деле были галактиками за пределами нашего Млечного Пути. Также в то десятилетие было обнаружено, что теория общей относительности Альберта Эйнштейна не допускает никаких статических космологических решений, учитывая основные предположения космологии, описанные в теоретических основах Большого взрыва. Вселенная (т. е. метрика пространства-времени) описывалась метрическим тензором, который либо расширялся, либо уменьшался (т. е. не был постоянным или инвариантным). Этот результат, полученный в результате оценки уравнений поля общей теории, сначала заставил самого Эйнштейна считать, что его формулировка уравнений поля общей теории может быть ошибочной, и он попытался исправить ее, добавив космологическую постоянную. Эта константа восстановила бы в описании общей теории пространства-времени инвариантный метрический тензор для ткани пространства/существования. Первым человеком, который всерьез применил общую теорию относительности к космологии без стабилизационной космологической константы, был Александр Фридман. Фридманн вывел решение расширяющейся вселенной для уравнений поля общей теории относительности в 1922 году. В 1924 году Фридман опубликовал статью "О возможности мира с постоянной отрицательной кривизной" (Über die Möglichkeit einer Welt mit konstanter negativer Krümmung des Raumes), которая была опубликована Берлинской академией наук 7 января 1924 года. Уравнения Фридмана описывают вселенную Фридмана Лемайтра Робертсона Уокера. В 1927 году бельгийский физик Жорж Леметр предложил модель расширения Вселенной, чтобы объяснить наблюдаемое красное смещение спиральных туманностей, и рассчитал закон Хаббла. Он основал свою теорию на работе Эйнштейна и Де Ситтера и независимо вывел уравнения Фридмана для расширяющейся Вселенной. Кроме того, сами красные смещения не были постоянными, но варьировались таким образом, что привели к выводу, что существует определенная связь между количеством красного смещения туманностей и их расстоянием от наблюдателей. В 1929 году Эдвин Хаббл предоставил всеобъемлющую наблюдательную основу теории Лематра. Экспериментальные наблюдения Хаббла обнаружили, что по отношению к Земле и всем другим наблюдаемым телам галактики отступают в каждом направлении со скоростями (вычисленными из их наблюдаемого красного смещения), прямо пропорциональными их расстоянию от Земли и друг от друга. В 1929 году Хаббл и Милтон Хумасон сформулировали эмпирический закон расстояния красного смещения галактик, в настоящее время известный как закон Хаббла, который, как только красное смещение интерпретируется как мера скорости спада, согласуется с решениями уравнений общей относительности Эйнштейна для однородной, изотропной расширяющейся вселенной. Закон гласит, что чем больше расстояние между двумя галактиками, тем больше их относительная скорость расстояния. В 1929 году Эдвин Хаббл обнаружил, что большая часть Вселенной расширяется и удаляется от всего остального. Если все уходит от всего остального, то следует думать, что все когда-то было ближе друг к другу. Логический вывод состоит в том, что в какой-то момент вся материя начала формироваться из одной точки, диаметром в несколько миллиметров, прежде чем взорваться наружу. Она была настолько горячей, что содержит только сырую энергию на протяжении сотен тысяч лет, прежде чем материя могла сформироваться. Что бы ни случилось, это должно было вызвать неизмеримую силу, поскольку вселенная продолжает расширяться миллиарды лет спустя. Теория, которую он придумал, чтобы объяснить то, что он обнаружил, называется теорией Большого взрыва. В 1931 году Леметр предложил в своей "hypothèse de l'atome primitif" (гипотезе о первобытном атоме), что Вселенная началась с "взрыва" "первобытного атома" , который позже был назван Большим взрывом. Леметр сначала принял к...

Теория Большого взрыва против теории устойчивого состояния

Закон Хаббла предполагал, что Вселенная расширяется, что противоречит космологическому принципу, согласно которому Вселенная, если смотреть на достаточно большие масштабы расстояний, не имеет предпочтительных направлений или предпочтительных мест. Идея Хаббла позволила выдвинуть две противоположные гипотезы. Одним из них был Большой взрыв Лематра, который выступал за и разработал Джордж Гамов. Другой моделью была теория устойчивого состояния Фреда Хойла, в которой новая материя создавалась бы по мере того, как галактики удалялись друг от друга. В этой модели Вселенная примерно одинакова в любой момент времени. На самом деле именно Хойл придумал название теории Лематра, назвав ее "идеей Большого взрыва" во время радиопередачи 28 марта 1949 года в Третьей программе BBC. Популярно сообщается, что Хойл, который предпочитал альтернативную космологическую модель "устойчивого состояния", намеревался, чтобы это было уничижительным, но Хойл явно отрицал это и сказал, что это просто поразительный образ, призванный подчеркнуть разницу между двумя моделями. Хойл повторил этот термин в дальнейших передачах в начале 1950 года, как часть серии из пяти лекций под названием "Природа Вселенной". Текст каждой лекции был опубликован в The Listener через неделю после трансляции, впервые термин "большой взрыв" появился в печати. По мере того, как доказательства в пользу модели Большого взрыва становились все более распространенными, и консенсус стал широко распространенным, сам Хойл, хотя и несколько неохотно, признал это, сформулировав новую космологическую модель, которую другие ученые позже назвали "Устойчивым взрывом".

1950 - 1990-е годы

Примерно с 1950 по 1965 год поддержка этих теорий была равномерно разделена, с небольшим дисбалансом, возникающим из того факта, что теория Большого взрыва могла объяснить как образование, так и наблюдаемое количество водорода и гелия, тогда как теория устойчивого состояния могла объяснить, как они образовались, но не почему они должны иметь наблюдаемое количество. Однако наблюдения стали подтверждать идею о том, что Вселенная эволюционировала из горячего плотного состояния. Такие объекты, как квазары и радиогалактики, были гораздо более распространены на больших расстояниях (поэтому в далеком прошлом), чем в близлежащей Вселенной, тогда как устойчивое состояние предсказало, что средние свойства Вселенной должны быть неизменными со временем. Кроме того, открытие космического микроволнового фонового излучения в 1964 году считалось смертельным звонком устойчивого состояния, хотя это предсказание было только качественным и не смогло предсказать точную температуру CMB. (Ключевым предсказанием Большого взрыва является спектр черного тела CMB, который не измерялся с высокой точностью до COBE в 1990 году). После некоторой переформулировки Большой взрыв считается лучшей теорией происхождения и эволюции космоса. До конца 1960-х годов многие космологи считали, что бесконечно плотной и физически парадоксальной сингулярности в начале космологической модели Фридмана можно избежать, допустив Вселенную, которая сжималась до входа в горячее плотное состояние и снова начала расширяться. Это было официально оформлено как колебательная вселенная Ричарда Толмана. В шестидесятые годы Стивен Хокинг и другие доказали, что эта идея невыполнима, а сингулярность - это существенная особенность физики, описанная гравитацией Эйнштейна. Это привело к тому, что большинство космологов приняли идею о том, что Вселенная, как она описывается в настоящее время физикой общей теории относительности, имеет конечный возраст. Однако из-за отсутствия теории квантовой гравитации нет никакого способа сказать, является ли сингулярность фактической точкой происхождения Вселенной, или физические процессы, которые управляют режимом, заставляют Вселенную быть эффективно вечной по характеру. В 1970-х и 1980-х годах большинство космологов приняли Большой взрыв, но несколько загадок остались, в том числе не обнаружение анизотропий в CMB и случайные наблюдения, намекающие на отклонения от спектра черного тела; таким образом, теория не была очень сильно подтверждена.