מהי השערת המצב הקבוע?

כשמדובר במקורות הקוסמיים שלנו, מספר תיאוריות התקדמו לאורך ההיסטוריה. פשוטו כמשמעו לכל תרבות שהתקיימה אי פעם הייתה מסורת מיתולוגית משלה, שכללה באופן טבעי סיפור יצירה. עם הולדת המסורת המדעית, המדענים החלו להבין את היקום מבחינת חוקים פיזיים שניתן לבדוק ולהוכיח.

עם שחר עידן החלל, מדענים החלו לבחון תיאוריות קוסמולוגיות מבחינת תופעות ניתנות לצפייה. מכל אלה, עלו במחצית השנייה של המאה העשרים מספר תיאוריות שניסו להסביר כיצד כל החומר והחוקים הפיזיים השולטים בו היו. מתוכם, תיאוריית המפץ הגדול נותרת המקובלת ביותר בעוד שההיפותזה של המדינה היציב הייתה מבחינה היסטורית המתמודדת הגדולה ביותר שלה.

המודל המוצק מציין כי צפיפות החומר ביקום המתרחב נותרת ללא שינוי לאורך זמן בגלל היצירה הרציפה של החומר. במילים אחרות, היקום הנצפה למעשה נשאר זהה ללא קשר למועד או למקום. זה מציב זאת בניגוד חריף לתיאוריה שרוב החומר נוצר באירוע יחיד (המפץ הגדול) ומאז הוא מתרחב.

מקורות

בעוד שהרעיון של יקום יציב ובלתי משתנה אומץ לאורך ההיסטוריה, רק בתקופה המודרנית המוקדמת החלו המדענים לפרש זאת במונחים אסטרופיזיים. הדוגמה הברורה הראשונה לכך שטענו בהקשר של אסטרונומיה וקוסמולוגיה הייתה אצל אייזק ניוטון עקרונות מתמטיים של פילוסופיה טבעית (Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica) פורסם בשנת 1687.

במאגנום האופוס של ניוטון, הוא הבין את היקום שמעבר למערכת השמש כחלל ריק שהשתרע בצורה אחידה לכל הכיוונים למרחקים שלא ניתן לשבח. הוא הסביר באמצעות הוכחות ומתצפיות מתמטיות כי כל התנועה והדינמיקה במערכת זו הוסברו באמצעות העיקרון היחיד של הכבידה האוניברסלית.

עם זאת, מה שעתיד היה להיקרא היפותזת המדינה היציב לא התגלה עד תחילת המאה העשרים. מודל קוסמולוגי זה נוצר בהשראת מספר תגליות, כמו גם פריצות דרך בתחום הפיזיקה התיאורטית. אלה כללו את תורת היחסות הכללית של אלברט איינשטיין והתצפיות של אדווין האבל כי היקום נמצא במצב של התפשטות.

איינשטיין רשמי תיאוריה זו עד שנת 1915 לאחר שהחליט להרחיב את תיאוריית היחסות המיוחדת שלו כדי לשלב את כוח הכבידה. בסופו של דבר, תיאוריה זו קובעת שכוח הכבידה של חומר ואנרגיה משנה ישירות את עקמומיות הזמן המרחב סביבו. או כפי שסיכם את הפיזיקאי התיאורטי המפורסם ג'ון ווילר, "המרחב-זמן מספר לא משנה כיצד לנוע; חומר אומר לחלל-זמן כיצד להתעקם. "

עד שנת 1917, חישובים תיאורטיים שהתבססו על משוואות השדה של אינשטיין הראו שהיקום צריך להיות במצב של התרחבות או התכווצות. עד שנת 1929, תצפיות שנעשו על ידי ג'ורג 'למיטרה (שהציע את תיאוריית המפץ הגדול) ואדווין האבל (באמצעות טלסקופ הוקקר בגודל 100 אינץ' במצפה הר ווילסון) הוכיחו כי זה היה המקרה.

על סמך גילויים אלו החל דיון בשנות השלושים של המאה העשרים על מקורותיו האפשריים ואופיו של היקום. מצד אחד, היו מי שטענו כי היקום היה סופי בעידן והתפתח לאורך זמן באמצעות קירור, התרחבות ויצירת מבנים עקב התמוטטות הכבידה. תיאוריה זו נקראה באופן סאטירי "המפץ הגדול" על ידי פרד הויל, והשם נתקע.

בינתיים, מרבית האסטרונומים באותה העת החזיקו בתיאוריה שלמרות שהיקום הנצפה מתרחב, הוא בכל זאת לא משתנה מבחינת הצפיפות של החומר. בקיצור, תומכיה של תיאוריה זו טענו כי ליקום אין התחלה, אין סוף, וכי חומר נוצר ברציפות לאורך זמן - בקצב של אטום מימן אחד למטר מעוקב לכל 100 מיליארד שנים.

תיאוריה זו הרחיבה גם את העיקרון הקוסמולוגי של איינשטיין, המכונה. קבוע קוסמולוגי (CC), אותו הציע איינשטיין בשנת 1931. לדברי איינשטיין, כוח זה היה אחראי ל"התאפק בכוח המשיכה "ולהבטיח שהיקום יישאר יציב, הומוגני ואיזוטרופי מבחינת המבנה הגדול שלו.

על ידי שינוי עיקרון זה והרחבתו טענו חברי בית הספר למחשבת Steady State כי יצירת החומר המתמשכת היא זו שהבטיחה שמבנה היקום יישאר זהה לאורך זמן. זה ידוע אחרת כעקרון הקוסמולוגי המושלם, אשר מבטל את ההשערה של מצב היציבות.

תיאוריה של מדינת סטיידי התפרסמה עד שנת 1948 עם פרסום שני מאמרים: "מודל חדש ליקום מתרחב" מאת האסטרונום האנגלי פרד הויל, ו"התיאוריה של מדינת הקבע והיקום המתרחב "מאת האסטרופיזיקאי הבריטי-אוסטרי וצוות הקוסמולוג של הרמן בונדי ותומס גולד.

טיעונים וחיזוי עיקריים

טיעונים לטובת השערת מצבים קבועים כוללים את הבעיה בהיקף הזמן הנראה על ידי השיעור הנצפה של ההתפשטות הקוסמית (המכונה חוק האבל או חוק האבל-למיטר). בהתבסס על תצפיות של האבל על הגלקסיות הסמוכות, הוא חישב שהיקום מתרחב במהירות שגדלה באופן שיטתי עם המרחק.

זה הוליד את הרעיון שהיקום החל להתרחב מנפח שטח קטן בהרבה. בהיעדר תאוצה / האטה - 500 קמ"ש למג'פרסק (310 מגה לשנייה למ"מ) - קבוע האבל התכוון שכל החומר מתרחב במשך כ -2 מיליארד שנה - שיהיה גם גיל העליונה של היקום.

ממצא זה סתר על ידי תיארוך רדיואקטיבי, בו מדדו מדענים את קצב הריקבון עבור מרבצי אורניום -238 ופלוטוניום -205 בדגימות סלע. בשיטה זו אומדו כי דגימות הסלע העתיקות ביותר (שהיו מקוריות ירח) היו בנות 4.6 מיליארד שנה. אי התאמה נוספת הופיעה כתוצאה מתורת האבולוציה מהממים.

בקיצור, הקצב שבו המיזוג מתמזג בתוך פנים הכוכבים (ליצירת הליום) מניב אומדן גילאים עליון של 10 מיליארד שנים לאשכולים כדוריים - הכוכבים העתיקים ביותר בגלקסיה. מה שכן, שום אבולוציה במרחקים גדולים לא הייתה יכולה להתרחש במודל זה - מה שאומר שמקורות רדיו - aka. קוואזרים או גרעינים פעילים גלקטיים (AGNs) - יהיו אחידים בכל היקום.

פירוש הדבר הוא שגם קבוע האבל (כפי שחושב בתחילת המאה העשרים) יישאר קבוע. מודל הסטיידי סטייט ניבא גם כי יצירה קבועה של אנטי-נייטרונים תביא להשמדה סדירה ודעיכת נויטרונים, ובכך תוביל לקיומו של רקע קרני גאמא וגז לוהט רנטגן ברחבי היקום.

המפץ הגדול לזכייה

עם זאת, תצפיות מתמשכות במהלך שנות החמישים והשישים הובילו בהתמדה להתעצמות ראיות נגד ההיפותזה של מדינת סטיידי. אלה כללו גילוי של מקורות רדיו בהירים (המכונים קוואזרים וגלקסיות רדיו) שהתגלו בגלקסיות רחוקות אך לא כאלה הקרובים לנו ביותר - מה שמצביע על כך שגלקסיות רבות הפכו "שקטות רדיו" עם הזמן.

עד שנת 1961, סקרים על מקורות הרדיו אפשרו לבצע ניתוחים סטטיסטיים, מה ששלל את האפשרות כי גלקסיות רדיו בהירות הופצו באופן אחיד. טענה עיקרית נוספת נגד ההשערה של Steady State הייתה גילוי הרקע המיקרוגל הקוסמי (CMB) בשנת 1964, אותו חזה מודל המפץ הגדול.

בשילוב היעדר רקע קרני גאמא ועננים חודרים של גז פולטי רנטגן, דגם המפץ הגדול הפך למקובל בשנות השישים. עד שנות התשעים, תצפיות עם טלסקופ החלל האבל ומצפה כוכבים אחר גילו גם שההתרחבות הקוסמית לא הייתה עקבית לאורך זמן. בשלושת מיליארד השנים האחרונות, למעשה, הוא האיץ.

זה הוביל לכמה חידודים של קבוע האבל. בהתבסס על נתונים שנאספו על ידי בדיקת מיקרוסקופ האיסוטרופיה ווילקינסון (WMAP), שיעור ההתרחבות הקוסמית מוערך כיום בין 70 ל 73.8 קמ"ש למ"ק (43.5 עד 46 מגה לשנייה לשנייה) עם שגיאה של 3%. ערכים אלה תואמים הרבה יותר את התצפיות הממצאות את גיל היקום בסביבות 13.8 מיליארד שנים.

גרסאות מודרניות

החל משנת 1993 פרד הויל והאסטרופיזיקאים ג'פרי בורברידג 'וג'אנט ו' נרליקאר החלו לפרסם סדרת מחקרים שבהם הציעו גרסה חדשה להיפותזה של סטיידי סטייט. וריאציה זו, הידועה כהשערה של מצב קבוע-יציב (QSS), ניסתה להסביר תופעות קוסמולוגיות שהתיאוריה הישנה לא הסבירה להן.

מודל זה מציע כי היקום הוא תוצאה של כיסי יצירה (המכונים מיני פוני) שקורים במהלך מיליארד שנים רבות. מודל זה שונה בתגובה לנתונים שהראו כיצד קצב ההתרחבות של היקום מאיץ. למרות שינויים אלה, הקהילה האסטרונומית רואה עדיין את המפץ הגדול כמודל הטוב ביותר להסברת כל התופעות הניתנות לצפייה.

כיום, דגם זה ידוע כמודל Lambda-Cold Dark Matter (LCDM), המשלב תיאוריות עכשוויות על Dark Matter and Dark Dark עם תיאוריית המפץ הגדול. למרות זאת, ההשערה של מדינת היציבות (והגרסאות שלה) עדיין תומכת על ידי כמה אסטרופיסיקאים וקוסמולוגים. וזה לא האלטרנטיבה היחידה לקוסמולוגיה של המפץ הגדול ...

כתבנו מאמרים רבים בנושא קוסמולוגיה כאן במגזין החלל. הנה מהו היקום, תיאוריית המפץ הגדול: התפתחות היקום שלנו, מהי תורת היקום המתנדנד ?, מהי ה- Rip Big ?, מהי התיאוריה הרב-גונית ?, מהי תיאוריית העל ?, מה הרקע המיקרוגל הקוסמי? , הקראנץ 'הגדול: סוף היקום שלנו ?, מה הקפאה הגדולה? והקוסמולוגיה 101: הסוף.

אסטרונומיה קאסט גם כמה פרקים מעניינים בנושא. להלן פרק 5: המפץ הגדול ורקע המיקרוגל הקוסמי, פרק 6: עוד הוכחות למפץ הגדול, פרק 79: כמה גדול היקום ?, פרק 187: תולדות האסטרונומיה, חלק 5: המאה העשרים, פרק 499: מהו הצעת האבל-למיטרה ?.

מקורות:

• ויקיפדיה - עיקרון קוסמולוגי
• ויקיפדיה - היפותזת מצב יציב
• רעיונות לקוסמולוגיה - המפץ הגדול או המדינה היציבה?
• אנציקלופדיה בריטניקה - תיאוריה קבועה
• אסטרונומיה של UBC ואסטרופיסיקה - סוגיות יסוד בקוסמולוגיה
• "מודל חדש ליקום המתרחב", הויל, פ. MNRAS, כרך. 108, לא. 372 (1948)
• "מודלים מעולם-יציב ומודלים קוסמולוגיים קשורים: סקירה היסטורית", קרא. ח. (2012)
• "התיאוריה היציבה של היקום המתרחב", MNRAS, כרך. 108, עמ '. 252 (1948)
• "תיאוריית המצב היציב של איינשטיין: מודל נטוש של הקוסמוס", כתב העת האירופי הפיזי H, כרך. 39, עמ ' 353-367 (2014)
• "מודל קוסמולוגי מעין יציב למדי עם יצירת חומר", הויל, פ .; Burbidge, G .; Narlikar, J. V., Journal Astrophysical v. 410, p. 437 (1993)