Jautājums par Visuma evolūciju ir izraisījis daudzas diskusijas visā fizikas vēsturē. XX gadsimta sākumā sadūrās divas zinātnieku nometnes: no vienas puses, tie, kas ticēja stabilai, vienmēr pastāvējušai Visumam, no otras puses — fiziķi, kas piekopa primitīvā atoma modeli, mūsu Lielā sprādziena teorijas priekšteci.
Saturs
XX gadsimtā kosmoloģija piedzīvoja revolūciju divu konkurējošu kosmosa koncepciju ietekmē. No vienas puses, Žoržs Lemetrs izvirzīja hipotēzi par “primāro atomu”, Lielā sprādziena priekšteci, saskaņā ar kuru Visumam ir vēsture un sākums. No otras puses, Freds Hojls, Tomass Golds un Hermans Bondijs 1948. gadā aizstāvēja alternatīvu modeli: stacionārā stāvokļa modeli, kurā paplašināšanās Visums paliek nemainīgs lielos mērogos, pateicoties nepārtrauktai matērijas dzimšanai.
Šī teorija piesaistīja ar savu eleganci: tā izvairījās no absolūtā sākuma idejas un atdzīvināja senās filozofiskās intuīcijas, kas cēlušās no Senās Grieķijas, par kosmosa mūžību un nemainīgumu. Bet drīz tā tika pārbaudīta ar novērojumiem. Šīs aizraujošās teorijas sabrukums kļuva par daļu no plaša zinātniskā diskusijas, kuras rezultātā uzvarēja Žorža Lemetra primārā atoma modelis.
Stacionārā stāvokļa modelis: mūžīgā un nemainīgā Visums
1948. gadā Freds Hojls, Tomass Golds un Hermans Bondijs iepazīstināja ar stacionārā stāvokļa kosmoloģisko modeli. Viņu pieeja balstījās uz diviem fundamentāliem principiem . Pirmkārt, ideālais kosmoloģiskais princips: Visums ir ne tikai viendabīgs un izotropisks telpā — tas nozīmē, ka lielā mērogā Visums izpauž vienādas īpašības katrā punktā un visos novērošanas virzienos, bez privileģētas atrašanās vietas vai virziena, — bet tas ir viendabīgs arī laikā — tā īpašības kopumā ir vienādas visās laikmetās. Otrkārt, viņi postulē nepārtrauktu matērijas radīšanu, lai kompensētu novēroto Visuma izplešanos, kā parādīja Hubbls; matērija nepārtraukti rodas ļoti lēni (aptuveni viens ūdeņraža atoms uz kubikmetru katru miljardu gadu).
Šis modelis izvairās no Visuma sākuma un tādējādi arī no filozofiskā un zinātniskā jautājuma par kaut kā radīšanu no nekā. Tas piedāvā elegantu, statisku, mēroga modeli, kurā Visumam nav ne sākuma, ne gala . No filozofiskā viedokļa tā saskan ar priekšstatu par kosmosa mūžību, kas bija izplatīts zinātnieku vidū no senatnes līdz XVIII gadsimtam, ideju, ko jau aizstāvēja stoīki un Aristotelis. Jāatzīmē, ka Aristotelis apšaubīja Visuma robežas un noraidīja bezgalības ideju, uzskatot to par fiziski neiespējamu.
Kāpēc stacionārā stāvokļa modelis izrādījās tik pievilcīgs?
Stacionārā modelis ilgu laiku baudīja noteiktu autoritāti vairāku iemeslu dēļ. Pirmkārt, tās filozofiskā vienkāršība, par ko mēs tikko runājām, kā arī tās matemātiskā stabilitāte, jo tā balstās uz vienkāršiem kosmoloģisko vienādojumu risinājumiem, ko formulēja Einšteins savā vispārējā relativitātes teorijā. Visbeidzot, tā ir pievilcīga arī ar savu zinātnisko estētiku: nemainīga laikā Visums šķiet harmonisks un paredzams .
Tādējādi stacionārā stāvokļa modelim bija visi pamati. Pārliecināts par savu teoriju, tieši Freds Hojls, vēloties izsmiet un izsmiet konkurējošo primārā atoma modeli, ko viņš uzskatīja par absurdu, 1949. gadā BBC radio raidījumā ieviesa terminu “Lielais sprādziens”. Un tomēr…
Lemetra primārā atoma modelis: Lielā sprādziena priekštecis
Jau pirms mūsdienu Lielā sprādziena teorijas formulēšanas tās mūsdienu izpratnē beļģu priesteris un fiziķis Žoržs Lemetrs 1931. gadā izvirzīja drosmīgu hipotēzi: primāro atomu modelis . Saskaņā ar to Visums radās „kosmiskā atoma” sabrukuma rezultātā – blīva un karsta sākotnējā punkta, telpas paplašināšanās avota . Tādējādi viņš pabeidza modeli, kuru sāka izstrādāt jau 1927. gadā un kurā viņš jau pieņēma, ka Visums paplašinās.
Lemets balstījās uz Einšteina vienādojumu dinamiskajiem risinājumiem un Edvina Habla , amerikāņu astronoma, kas atklāja galaktiku attālināšanos viena no otras, novērojumiem. Viņš iedomājās paplašināšanos Visumu, bet ar pagātni, kas bija gan fiziska, gan arī bija sākums. Lemetr iztēlojās primāro atomu kā kodolu, kas satur visu Visuma matēriju un kura sadalīšanās izraisītu kosmisko izplešanos . Viņš interpretēja nesen atklātos kosmiskos starus kā šīs sākotnējās sadalīšanās paliekas. Šī hipotēze izrādījās neprecīza, jo tie patiesībā rodas astrofizikālu parādību dēļ, kas notiek mūsu vietējā kosmiskajā vidē.
Atšķirībā no Hoila, viņš pieņem ideju par sākumu, kas nav saistīts ar kādu reliģisku radīšanu, ko viņš kā garīdznieks uzskata par filozofisku koncepciju, nevis konkrētu notikumu. Primitīvā atoma modelis ir tiešs priekštecis tam, kas, pateicoties secīgiem atklājumiem, vēlāk ieguva nosaukumu Lielā sprādziena modelis, kas guva plašu atzinību, jo īpaši pateicoties tā novērojamajām prognozēm.
Novērojumu dati pret stabilu stāvokli
Neskatoties uz sākotnējo pievilcību, stacionārā stāvokļa modelis sāka kļūdīties, saskaroties ar arvien precīzākiem datiem. Lielākais trieciens tika nodarīts 1964. gadā, kad Arno Penzijas un Roberts Vilsons nejauši atklāja trokšņainu radiosignālu, kas nāca no visām novērošanas virzieniem. Šis troksnis, ko sauc par kosmisko mikroviļņu fona starojumu, patiesībā ir reliģiskais starojums, ko atstājusi ļoti jauna Visums , tieši tā, kā to paredzēja Lielā sprādziena piekritēji. Tomēr stacionārā stāvokļa modelis nevar izskaidrot šādu reliģisko starojumu. Kosmiskais mikroviļņu fons, kas atklāts 1965. gadā, ir visaispējamākais Lielā sprādziena pierādījums. Tā detaļas vēlāk tika pētītas ar satelītiem COBE (1992), WMAP (2003) un Planck (2009).
Citi mājieni norāda uz to pašu: tālas galaktikas, kuru attēli ir nonākuši pie mums vēl to jaunībā, izskatās citādi nekā mūsdienu galaktikas. Turklāt kvazāri, hiperaktīvu galaktiku kodolu paveids, pagātnē bija daudz skaitliskāki nekā šodien . Šīs atšķirības liecina, ka Visums attīstās pretēji stacionārā stāvokļa modelim.
Visbeidzot, Lielā sprādziena teorija ar lielu precizitāti paredz vieglā elementu (hēlija, deiterija, litija) attiecību, kas veidojās pirmajās minūtēs. Mūsdienās saglabājušos fosilo elementu mērījumi apstiprina šos rādītājus. Stacionārā modelis, kas neietver sākotnējo karsto un blīvo fāzi, nespēj tos izskaidrot.
Mūsdienu kosmoloģijas attīstība
Ņemot vērā šos novērojumus, zinātniskā sabiedrība pakāpeniski pieņēma Lielā sprādziena modeli kā standartu. Tomēr 1990. gados Freds Hojls, nevēloties atteikties no savas hipotēzes, ierosināja tā saucamo kvazistacionāro modeli, kas tomēr palika margināls.
Šodien ΛCDM (Lambda Cold Dark Matter) modelis, paplašināta Lielā sprādziena versija, kas ietver kosmoloģisko konstanti — ideju par sīkas vakuuma enerģijas eksistenci, kas ir vienāda visur un rada spiedienu, kas paātrina Visuma izplešanos, — tiek uzskatīts par vispilnīgāko modeli Visuma evolūcijas aprakstīšanai. Einšteins to ieviesa 1917. gadā, lai neitralizētu gravitācijas efektu Visumā, ko viņš pats uzskatīja par statisku, un tā tika rehabilitēta ar nosaukumu tumšā enerģija, lai izskaidrotu novēroto paātrinājumu, un tiek uzskatīta par vispilnīgāko modeli Visuma evolūcijas aprakstīšanai.
Stacionārā stāvokļa modelis ir tipisks piemērs teorētiskai elegancei, kas pretstatā eksperimenta stingrībai . Šī polemika izraisīja diskusijas, iedvesmoja matemātiskos pētījumus un ļāva labāk saprast, kas ir laba zinātniskā teorija: nepretenciozs, pārbaudāms un, galvenais, falsificējams.
Tā arī atgādina mums, ka zinātne attīstās nevis caur dogmām, bet caur sadursmi ar kosmosa realitāti. Un, ja dažas teorijas, piemēram, simulācija vai daudzdimensiju visums, tagad spēlējas ar robežām, ko mēs varam pārbaudīt, tās turpina tūkstošgadu tradīciju: mēģināt saprast to, kas vienmēr ir bijis ārpus mūsu sapratnes.
