Historien om Big Bang -teorien - History of the Big Bang theory
| Del av en serie om |
| Fysisk kosmologi |
|---|
 |
Den historien om Big Bang teorien begynte med Big Bang 's utvikling fra observasjoner og teoretiske betraktninger. Mye av det teoretiske arbeidet innen kosmologi innebærer nå utvidelser og forbedringer av den grunnleggende Big Bang -modellen. Selve teorien ble opprinnelig formalisert av belgisk katolsk prest, matematiker, astronom og professor i fysikk Georges Lemaître .
Filosofi og middelalderlig tidsfinitisme
I middelalderfilosofien var det mye debatt om universet hadde en endelig eller uendelig fortid (se Temporal finitism ). Filosofien til Aristoteles mente at universet hadde en uendelig fortid, som forårsaket problemer for middelalderske jødiske og islamske filosofer som ikke klarte å forene den aristoteliske forestillingen om det evige med det Abrahamiske syn på skapelsen . Som et resultat ble en rekke logiske argumenter for at universet hadde en endelig fortid utviklet av blant andre John Philoponus , Al-Kindi , Saadia Gaon , Al-Ghazali og Immanuel Kant .
I sin avhandling De Luce ( On Light ) fra 1225 utforsket den engelske teologen Robert Grosseteste materiens natur og kosmos. Han beskrev universets fødsel i en eksplosjon og krystallisering av materie for å danne stjerner og planeter i et sett med nestede sfærer rundt jorden. De Luce er det første forsøket på å beskrive himmelen og jorden ved å bruke et enkelt sett med fysiske lover.
I 1610 brukte Johannes Kepler den mørke nattehimmelen for å argumentere for et begrenset univers. Syttisju år senere beskrev Isaac Newton stor bevegelse i hele universet.
Beskrivelsen av et univers som ekspanderte og kontraherte på en syklisk måte ble først fremmet i et dikt utgitt i 1791 av Erasmus Darwin . Edgar Allan Poe presenterte et lignende syklisk system i sitt essay fra 1848 med tittelen Eureka: A Prose Poem ; det er åpenbart ikke et vitenskapelig verk, men Poe, mens han tok utgangspunkt i metafysiske prinsipper, prøvde å forklare universet ved hjelp av samtids fysisk og mental kunnskap. Ignorert av det vitenskapelige samfunnet og ofte misforstått av litteraturkritikere, har dets vitenskapelige implikasjoner blitt revurdert i nyere tid.
I følge Poe var den opprinnelige tilstanden til saken en enkelt "urpartikkel". "Divine Volition", som manifesterer seg som en frastøtende kraft, fragmenterte urpartikkelen til atomer. Atomer sprer seg jevnt gjennom rommet, til frastøtende kraft stopper, og tiltrekning fremstår som en reaksjon: så begynner materien å klumpe seg sammen og danne stjerner og stjernesystemer, mens det materielle universet trekkes sammen igjen av tyngdekraften, til slutt kollapser og slutter til slutt å vende tilbake til Primordial Particle stadium for å starte prosessen med frastøtning og tiltrekning igjen. Denne delen av Eureka beskriver et newtonsk univers som utvikler seg og deler en rekke egenskaper med relativistiske modeller, og av denne grunn forutser Poe noen temaer i moderne kosmologi.
Vitenskapelig utvikling tidlig på 1900 -tallet
Observasjonelt, på 1910 -tallet , bestemte Vesto Slipher og senere, Carl Wilhelm Wirtz at de fleste spiretåker (nå korrekt kalt spiralgalakser ) trekker seg tilbake fra jorden. Slipher brukte spektroskopi for å undersøke rotasjonsperioden til planeter, sammensetningen av planetariske atmosfærer, og var den første som observerte radialhastighetene til galakser. Wirtz observerte en systematisk rødforskyvning av tåker, som var vanskelig å tolke i form av en kosmologi der universet er mer eller mindre jevnt fylt med stjerner og stjernetåker. De var ikke klar over de kosmologiske implikasjonene, og heller ikke at de antatte stjernetåken faktisk var galakser utenfor vår egen Melkevei .
Også i det tiåret ble det funnet at Albert Einsteins teori om generell relativitet ikke innrømmet noen statiske kosmologiske løsninger , gitt de grunnleggende antagelsene om kosmologi beskrevet i Big Bangs teoretiske underlag . Universet (dvs. rom-tid-metrisk) ble beskrevet av en metrisk tensor som enten ekspanderte eller krympet (dvs. var ikke konstant eller variabel). Dette resultatet, som kommer fra en evaluering av feltligningene for den generelle teorien, førte først til at Einstein selv tenkte på at hans formulering av feltligningene for den generelle teorien kan være feil, og han prøvde å korrigere det ved å legge til en kosmologisk konstant . Denne konstanten ville gjenopprette den generelle teoriens beskrivelse av rom-tid en uforanderlig metrisk tensor for stoffet av rom/eksistens. Den første personen som seriøst brukte generell relativitet til kosmologi uten den stabiliserende kosmologiske konstanten var Alexander Friedmann . Friedmann avledet den ekspanderende universløsningen til generelle relativitetsfeltligninger i 1922. Friedmanns artikler fra 1924 inkluderte " Über die Möglichkeit einer Welt mit konstanter negativer Krümmung des Raumes " ( Om muligheten for en verden med konstant negativ krumning ) som ble utgitt av Berlin Vitenskapsakademiet 7. januar 1924. Friedmanns ligninger beskriver Friedmann – Lemaitre – Robertson – Walker -universet.
I 1927 foreslo den belgiske katolske presten Georges Lemaitre en ekspanderende modell for universet for å forklare de observerte røde skiftene av spiralnevler, og beregnet Hubble -loven . Han baserte sin teori på arbeidet til Einstein og De Sitter , og avledet uavhengig av Friedmanns ligninger for et ekspanderende univers. Også de røde skiftene i seg selv var ikke konstante, men varierte på en slik måte at de førte til den konklusjon at det var et bestemt forhold mellom mengden rødt skift av nebulae og deres avstand til observatører.
I 1929 ga Edwin Hubble et omfattende observasjonsgrunnlag for Lemaitres teori. Hubbles eksperimentelle observasjoner oppdaget at i forhold til jorden og alle andre observerte kropper, trekker galakser seg tilbake i alle retninger med hastigheter (beregnet ut fra deres observerte røde skift) direkte proporsjonal med avstanden fra jorden og hverandre. I 1929 formulerte Hubble og Milton Humason den empiriske Redshift Distance Law for galakser, i dag kjent som Hubbles lov , som, når Redshift er tolket som et mål for resesjonshastighet, er i samsvar med løsningene i Einsteins generelle relativitetsligninger for en homogen, isotrop ekspanderende plass. Ekspansjonens isotrope natur var et direkte bevis på at det var selve rommet (eksistensstrukturen) som ekspanderte, ikke kroppene i rommet som rett og slett beveget seg lenger utover og fra hverandre til et uendelig større, eksisterende tomrom. Det var denne tolkningen som førte til begrepet det ekspanderende universet. Loven sier at jo større avstanden mellom to galakser, desto større er deres relative separasjonshastighet. I 1929 oppdaget Edwin Hubble at det meste av universet ekspanderte og beveget seg bort fra alt annet. Hvis alt beveger seg bort fra alt annet, bør det tenkes at alt en gang var nærmere hverandre. Den logiske konklusjonen er at på et tidspunkt startet all materie fra et enkelt punkt noen få millimeter på tvers før det eksploderte utover. Det var så varmt at det besto av bare rå energi i hundretusenvis av år før saken kunne dannes. Uansett hva som skjedde måtte utløse en ufattelig kraft, siden universet fortsatt utvider seg milliarder av år senere. Teorien han utviklet for å forklare det han fant, kalles Big Bang -teorien.
I 1931 Lemaître foreslo i sin " hypothèse de l'Atome primitif " (hypotesen om den ur-atom) at universet begynte med "eksplosjon" av "ur- atom " - det som senere ble kalt Big Bang. Lemaître tok først kosmiske stråler for å være restene av hendelsen, selv om det nå er kjent at de stammer fra den lokale galaksen . Lemaitre måtte vente til kort tid før hans død for å lære om oppdagelsen av kosmisk mikrobølge bakgrunnsstråling , reststrålingen fra en tett og varm fase i det tidlige universet.
Big Bang -teorien vs. Steady State -teorien
Hubbles lov hadde antydet at universet utvider seg, og motsier det kosmologiske prinsippet der universet, når det blir sett på tilstrekkelig store avstandsskalaer, ikke har noen foretrukne retninger eller foretrukne steder. Hubbles idé tillot at to motsatte hypoteser ble foreslått. Den ene var Lemaître's Big Bang, forfektet og utviklet av George Gamow . Den andre modellen var Fred Hoyle er Steady State teorien , der ny sak vil bli opprettet som galaksene flyttet fra hverandre. I denne modellen er universet omtrent det samme når som helst. Det var faktisk Hoyle som skapte navnet på Lemaîtres teori og omtalte det som "denne" big bang "-idéen" under en radiosending 28. mars 1949, på BBC Third Program . Det er populært rapportert at Hoyle, som favoriserte en alternativ " steady state " -kosmologisk modell, hadde til hensikt at dette var pejorativt, men Hoyle benektet dette eksplisitt og sa at det bare var et slående bilde som skulle markere forskjellen mellom de to modellene. Hoyle gjentok begrepet i ytterligere sendinger tidlig i 1950, som en del av en serie på fem foredrag med tittelen The Nature of The Universe . Teksten til hvert foredrag ble publisert i The Listener en uke etter sendingen, første gang begrepet "big bang" dukket opp på trykk. Som bevis til fordel for Big Bang -modellen, og konsensus ble utbredt, innrømmet Hoyle selv, om enn noe motvillig, det ved å formulere en ny kosmologisk modell som andre forskere senere omtalte som "Steady Bang".
1950 til 1990 -tallet
Fra rundt 1950 til 1965 var støtten til disse teoriene jevnt delt, med en liten ubalanse som følge av at Big Bang -teorien kunne forklare både dannelsen og de observerte overflodene av hydrogen og helium , mens Steady State kunne forklare hvordan de ble dannet, men ikke hvorfor de skulle ha de observerte overflodene. Imidlertid begynte observasjonsbevisene å støtte ideen om at universet utviklet seg fra en tett tilstand. Objekter som kvasarer og radiogalakser ble observert å være mye mer vanlige på store avstander (derfor i den fjerne fortiden) enn i det nærliggende universet, mens Steady State spådde at universets gjennomsnittlige egenskaper skulle være uforanderlige med tiden. I tillegg ble oppdagelsen av den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen i 1964 ansett som dødsfallet i Steady State, selv om denne spådommen bare var kvalitativ, og klarte ikke å forutsi den eksakte temperaturen på CMB. (Den viktigste big bang-spådommen er sortkroppsspekteret til CMB, som ikke ble målt med høy nøyaktighet før COBE i 1990). Etter noen omformuleringer har Big Bang blitt sett på som den beste teorien om kosmos opprinnelse og utvikling. Før slutten av 1960 -tallet trodde mange kosmologer at den uendelig tette og fysisk paradoksale singulariteten ved starttiden for Friedmanns kosmologiske modell kunne unngås ved å tillate et univers som krympet seg før de kom inn i den varme tette tilstanden, og begynte å ekspandere igjen. Dette ble formalisert som Richard Tolman 's oscillerende univers . På sekstitallet demonstrerte Stephen Hawking og andre at denne ideen ikke var gjennomførbar, og singulariteten er et vesentlig trekk ved fysikken beskrevet av Einsteins tyngdekraft. Dette førte til at flertallet av kosmologer godtok forestillingen om at universet som for tiden er beskrevet av fysikken for generell relativitet, har en begrenset alder. På grunn av mangel på en teori om kvantegravitasjon , er det imidlertid ingen måte å si om singulariteten er et faktisk utgangspunkt for universet, eller om de fysiske prosessene som styrer regimet får universet til å være effektivt evig i karakter.
Gjennom 1970- og 1980-årene godtok de fleste kosmologer Big Bang, men flere gåter gjensto, inkludert ikke-oppdagelse av anisotropier i CMB, og sporadiske observasjoner som antydet avvik fra et svartkroppsspekter; teorien ble derfor ikke veldig sterkt bekreftet.
1990 og utover
Store fremskritt innen Big Bang -kosmologien ble gjort på 1990 -tallet og begynnelsen av det 21. århundre, som et resultat av store fremskritt innen teleskopteknologi i kombinasjon med store mengder satellittdata, for eksempel COBE , Hubble -romteleskopet og WMAP .
I 1990 viste målinger fra COBE- satellitten at spekteret til CMB matcher en 2,725 K svart kropp til veldig høy presisjon; avvik ikke overstiger 2 deler i100 000 . Dette viste at tidligere påstander om spektrale avvik var feil, og i hovedsak beviste at universet var varmt og tett tidligere, siden ingen annen kjent mekanisme kan produsere en svart kropp med så høy nøyaktighet. Ytterligere observasjoner fra COBE i 1992 oppdaget de svært små anisotropiene til CMB på store skalaer, omtrent som forutsagt fra Big Bang -modeller med mørk materie . Fra da av ble modeller av ikke-standardisert kosmologi uten noen form for Big Bang svært sjeldne i de vanlige astronomitidsskriftene.
I 1998 indikerte målinger av fjerne supernovaer at utvidelsen av universet akselererer, og dette ble støttet av andre observasjoner, inkludert bakkebaserte CMB-observasjoner og store galakse-red-shift-undersøkelser. I 1999–2000 viste Boomerang og Maxima ballongbårne CMB-observasjoner at universets geometri er nær flat, så i 2001 estimerte 2dFGRS galaksens rødskiftundersøkelse gjennomsnittlig stofftetthet rundt 25–30 prosent av kritisk tetthet.
Fra 2001 til 2010, NASA 's WMAP tok romfartøyet meget detaljerte bilder av universet ved hjelp av den kosmiske mikrobølge bakgrunnsstrålingen. Bildene kan tolkes for å indikere at universet er 13,7 milliarder år gammelt (innen en prosent feil) og at Lambda-CDM-modellen og inflasjonsteorien er riktige. Ingen annen kosmologisk teori kan ennå forklare et så bredt spekter av observerte parametere, fra forholdet mellom de elementære overflodene i det tidlige universet til strukturen i den kosmiske mikrobølgebakgrunnen, den observerte høyere overflod av aktive galaktiske kjerner i det tidlige universet og de observerte masse klynger av galakser .
I 2013 og 2015 ga ESAs Planck- romfartøy ut enda mer detaljerte bilder av den kosmiske mikrobølgeovnen, som viser konsistens med Lambda-CDM-modellen til enda høyere presisjon.
Mye av det nåværende arbeidet i kosmologi inkluderer å forstå hvordan galakser dannes i forbindelse med Big Bang, forstå hva som skjedde i de tidligste tider etter Big Bang, og forene observasjoner med grunnteorien. Kosmologer fortsetter å beregne mange av parameterne for Big Bang til et nytt presisjonsnivå, og utfører mer detaljerte observasjoner som er håpet å gi ledetråder til naturen til mørk energi og mørk materie , og for å teste teorien om generell relativitet på kosmiske skalaer.
Se også
Referanser
Videre lesning
- Kragh, Helge (1999). Kosmologi og kontrovers: Den historiske utviklingen av to teorier om universet . Princeton University Press. ISBN 978-0-691-00546-1.