Понимание теории большого взрыва

Теория большого взрыва является доминирующей теорией происхождения вселенной. По сути, эта теория утверждает, что вселенная началась с начальной точки или сингулярности, которая расширилась за миллиарды лет, чтобы сформировать вселенную в том виде, в каком мы ее теперь знаем.

В 1922 году русский космолог и математик по имени Александр Фридман обнаружил, что решения Альберт Эйнштейн«s общая теория относительности полевые уравнения привели к расширению вселенной. Будучи сторонником статической вечной вселенной, Эйнштейн добавил космологическую постоянную к своим уравнениям, «исправляя» эту «ошибку» и тем самым устраняя расширение. Позже он назвал бы это самой большой ошибкой в ​​его жизни.

На самом деле, уже есть данные наблюдений в поддержку расширяющейся вселенной. В 1912 году американский астроном Весто Слайфер наблюдал спиральную галактику, которая в то время считалась «спиральной туманностью», поскольку астрономы еще не знали, что за галактикой есть галактики.

В 1924 году астроном Эдвин Хаббл смог измерить расстояние до этих «туманностей» и обнаружил, что они были так далеко, что на самом деле они не были частью Млечного Пути. Он обнаружил, что Млечный Путь был лишь одной из многих галактик, и что эти "туманности" на самом деле были галактиками сами по себе.

В 1927 году римско-католический священник и физик Жорж Леметр самостоятельно вычислил решение Фридмана и вновь предположил, что Вселенная должна расширяться. Эта теория была поддержана Хабблом, когда в 1929 году он обнаружил, что существует корреляция между расстоянием между галактиками и количеством красное смещение в свете этой галактики. Далекие галактики удалялись быстрее, что и было предсказано решениями Леметра.

В 1931 году Леметр пошел дальше со своими предсказаниями, экстраполируя назад во времени и обнаружив, что материя Вселенной достигнет бесконечной плотности и температуры за конечное время в прошлом. Это означало, что вселенная должна была начаться в невероятно маленькой, плотной точке материи, называемой «первичным атомом».

Тот факт, что Леметр был римско-католическим священником, беспокоил некоторых, поскольку он выдвигал теорию, которая представляла определенный момент «создания» вселенной. В 1920-х и 1930-х годах большинство физиков, таких как Эйнштейн, были склонны полагать, что вселенная существовала всегда. По сути, теория большого взрыва была воспринята многими как слишком религиозная.

В то время как несколько теорий были представлены на некоторое время, это был действительно только Фред Хойл теория устойчивого состояния это обеспечило реальную конкуренцию теории Лемэра. По иронии судьбы, именно Хойл придумал фразу «Большой взрыв» во время радиопередачи 1950-х годов, намереваясь использовать ее как насмешливый термин для теории Леметра.

Теория устойчивого состояния предсказала, что новый иметь значение был создан таким образом, что плотность и температура вселенной оставались постоянными во времени, даже когда вселенная расширялась. Хойл также предсказал, что более плотные элементы были сформированы из водорода и гелия в процессе звездный нуклеосинтез, что, в отличие от стационарной теории, оказалось точным.

Джордж Гамов, один из учеников Фридмана, был главным сторонником теории большого взрыва. Вместе с коллегами Ральфом Альфером и Робертом Германом он предсказал космический микроволновый фон (CMB) излучение, которое является излучением, которое должно существовать во всей вселенной как остаток Большой Взрыва. Как атомы начали формироваться во время эра рекомбинацииони позволили микроволновому излучению (форме света) путешествовать по вселенной, и Гамов предсказал, что это микроволновое излучение все еще будет наблюдаться сегодня.

Споры продолжались до 1965 года, когда Арно Пензиас и Роберт Вудро Вильсон наткнулись на CMB, работая в Bell Telephone Laboratories. Их радиометр Дикке, используемый для радиоастрономии и спутниковой связи, поднял температуру 3,5 К (близко к прогнозу Альфера и Германа в 5 К).

В конце 1960-х и начале 1970-х годов некоторые сторонники физики в стационарном состоянии пытались объяснить этот вывод, пока еще отрицая теорию большого взрыва, но к концу десятилетия стало ясно, что у излучения CMB не было другого правдоподобного объяснение. За это открытие Пензиас и Вильсон получили Нобелевскую премию 1978 года по физике.

Тем не менее, остаются некоторые опасения относительно теории большого взрыва. Одним из них была проблема однородности. Ученые спросили: почему Вселенная выглядит одинаково, с точки зрения энергии, независимо от того, в каком направлении вы смотрите? Теория большого взрыва не дает ранней вселенной времени достичь тепловое равновесиепоэтому во всей вселенной должны быть различия в энергии.

В 1980 году американский физик Алан Гут официально предложил теория инфляции решить эту и другие проблемы. Эта теория говорит о том, что в первые моменты после Большого взрыва было чрезвычайно быстрое расширение зарождающейся вселенной, движимой «вакуумной энергией отрицательного давления» (которая мая каким-то образом связаны с текущими теориями темная энергия). Альтернативно, теории инфляции, похожие по концепции, но с немного другими деталями, были выдвинуты другими в последующие годы.

Программа НАСА «Микроволновая зонд анизотропии Уилкинсона» (WMAP), начатая в 2001 году, предоставила доказательства, которые решительно поддерживают период инфляции в ранней Вселенной. Эти данные особенно убедительны в трехлетних данных, опубликованных в 2006 году, хотя есть некоторые незначительные несоответствия с теорией. Нобелевская премия по физике 2006 года была присуждена Джону С. Мазер и Джордж Смут, два ключевых сотрудника проекта WMAP.

В то время как теория Большого взрыва принята подавляющим большинством физиков, все же есть некоторые незначительные вопросы, касающиеся ее. Однако наиболее важными являются вопросы, на которые теория не может даже попытаться ответить:

• Что существовало до Большого взрыва?
• Что вызвало Большой взрыв?
• Является ли наша вселенная единственной?

Ответы на эти вопросы вполне могут существовать за пределами физики, но, тем не менее, они увлекательны, и такие ответы, как мультивселенной гипотеза обеспечивает интригующую область предположений для ученых и не ученых.

Когда Леметр первоначально предложил свое наблюдение о ранней вселенной, он назвал это раннее состояние вселенной первозданным атомом. Спустя годы Джордж Гамов будет применять имя Йлем для этого. Его также называют изначальным атомом или даже космическим яйцом.