Co to jest teoria stanu stacjonarnego w kosmologii?

Teoria stanu ustalonego była teorią zaproponowaną w XX wieku kosmologia aby wyjaśnić dowody, że wszechświat się rozszerza, ale nadal zachowuje podstawową ideę, że wszechświat zawsze wygląda tak samo, a zatem w praktyce pozostaje niezmienny i nie ma początku ani końca. Ta idea została w dużej mierze zdyskredytowana ze względu na astronomiczne dowody sugerujące, że wszechświat faktycznie zmienia się z czasem.

Gdy Einstein stworzył jego teoria ogólnej teorii względności, wczesna analiza wykazała, że ​​stworzył on niestabilny wszechświat (rozszerzający się lub kurczący), a nie wszechświat statyczny, który zawsze zakładano. Einstein również utrzymywał to założenie dotyczące statycznego wszechświata, dlatego wprowadził termin do swoich ogólnych równań pola względności zwany stała kosmologiczna. Służyło to utrzymaniu wszechświata w stanie statycznym. Jednak kiedy Edwin Hubble odkrył dowody na to, że odległe galaktyki faktycznie oddalają się od Ziemi we wszystkich kierunkach, naukowcy (w tym Einstein) zdali sobie sprawę, że wszechświat nie wydaje się być statyczny, a termin ten był oddalony.

Teoria stanu stacjonarnego została po raz pierwszy zaproponowana przez Sir Jamesa Jeansa w latach dwudziestych XX wieku, ale naprawdę nabrała rozpędu w 1948 r., Kiedy została przeformułowana przez Fred Hoyle, Thomas Goldi Hermann Bondi. 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 zwolennikiem teorii, zwłaszcza w przeciwieństwie do teoria wielkiego podrywu. W rzeczywistości w brytyjskiej audycji radiowej Hoyle ukuł nieco szyderczy termin, aby wyjaśnić przeciwną teorię.

W swojej książce „Parallel Worlds” fizyk Michio Kaku przedstawia jedno uzasadnione uzasadnienie poświęcenia Hoyle'a modelowi stanu ustalonego i sprzeciwowi wobec modelu Wielkiego Wybuchu:

Jedną z wad teorii [wielkiego wybuchu] było to, że Hubble, z powodu błędów w pomiarze światła z odległych galaktyk, przeliczył wiek wszechświata na 1,8 miliarda lat. Geolodzy twierdzili, że Ziemia i Układ Słoneczny mają prawdopodobnie wiele miliardów lat. Jak wszechświat mógł być młodszy od swoich planet?

W swojej książce „Endless Universe: Beyond the Big Bang” kosmologowie Paul J. Steinhardt i Neil Turok są nieco mniej sympatyczni wobec postawy i motywacji Hoyle'a:

W szczególności Hoyle uznał Wielki Wybuch za odrażający, ponieważ był bardzo antyreligijny i myślał, że obraz kosmologiczny jest niewiarygodnie bliski biblijnemu opisowi. Aby uniknąć huku, on i jego współpracownicy byli gotowi zastanowić się nad ideą materii i promieniowania nieustannie tworzone w całym wszechświecie w taki sposób, aby utrzymać stałą gęstość i temperaturę jak wszechświat się rozszerza. Ten obraz stanu stacjonarnego był ostatnim stanowiskiem zwolenników niezmiennej koncepcji wszechświata, rozpoczynając trzydziestoletnią bitwę z zwolennikami modelu Wielkiego Wybuchu.

Jak wskazują te cytaty, głównym celem teorii stanu stacjonarnego było wyjaśnienie ekspansji wszechświata bez konieczności mówienia o tym wszechświat jako całość wygląda inaczej w różnych momentach. Jeśli wszechświat w danym momencie wygląda zasadniczo tak samo, nie ma potrzeby zakładania początku ani końca. Jest to ogólnie znane jako idealna zasada kosmologiczna. Głównym sposobem, w jaki Hoyle (i inni) był w stanie zachować tę zasadę, było zaproponowanie sytuacji, podczas gdy wszechświat się rozszerzył, powstały nowe cząstki. Ponownie, jak przedstawił Kaku:

W tym modelu części wszechświata faktycznie się rozszerzały, ale ciągle powstawała nowa materia z niczego, tak że gęstość wszechświata pozostała taka sama... Hoyle'owi wydawało się nielogiczne, że ognisty kataklizm może pojawić się znikąd, aby wysłać galaktyki pędzące we wszystkich kierunkach; wolał płynne tworzenie masy z niczego. Innymi słowy, wszechświat był ponadczasowy. To nie miało końca ani początku. Po prostu było.

Dowody przeciwko teorii stanu ustalonego rosły wraz z wykryciem nowych dowodów astronomicznych. Na przykład niektóre cechy odległych galaktyk (takie jak kwazary i galaktyki radiowe) nie były widziane w bliższych galaktykach. Ma to sens w teorii Wielkiego Wybuchu, gdzie odległe galaktyki faktycznie reprezentują galaktyki „młodsze” a bliższe galaktyki są starsze, ale teoria stanu stacjonarnego nie ma realnego sposobu na wyjaśnienie tej różnicy. W rzeczywistości jest to właśnie taka różnica, której teorii zamierzano uniknąć.

Jednak ostateczny „gwóźdź do trumny” kosmologii w stanie ustalonym wyszedł z odkrycia kosmologii mikrofalowe promieniowanie tła, który został 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 w stanie ustalonym:

W pewnym sensie niezgodność jest uznaniem dla modelu; jako jedyny spośród wszystkich kosmologii model stanu ustalonego dokonuje tak jednoznacznych przewidywań, że można go obalić nawet przy ograniczonych dowodach obserwacyjnych do naszej dyspozycji.

Niektórzy naukowcy badają teorię stanu stacjonarnego w formie teoria stanu quasi-ustalonego. Nie jest to powszechnie akceptowane przez naukowców i wysunięto wiele krytycznych uwag, które nie zostały odpowiednio rozwiązane.

„Złoto, Thomas”. Kompletny słownik biografii naukowej, Charles Scribner's Sons, Encyclopedia.com, 2008.

Kaku, Michio. „Światy równoległe: podróż przez stworzenie, wyższe wymiary i przyszłość kosmosu”. 1. wydanie, Doubleday, 28 grudnia 2004 r.

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

„Paul J. Steinhardt. "Department of Physics, Princeton University, 2019, Princeton, New Jersey.

„Teoria stanu ustalonego”. New World Encyclopedia, 21 października 2015 r.

Steinhardt, Paul J. „Endless Universe: Beyond the Big Bang”. Neil Turok, wydanie piąte lub późniejsze, Doubleday, 29 maja 2007.

The Doc. „Fred Hoyle”. Znani naukowcy, 2019.