สมมติฐานรัฐที่มั่นคงคืออะไร?

เมื่อพูดถึงต้นกำเนิดของจักรวาลทฤษฎีจำนวนหนึ่งได้รับการพัฒนาไปตลอดประวัติศาสตร์ แท้จริงทุกวัฒนธรรมที่เคยมีอยู่มีประเพณีตามตำนานของตัวเองซึ่งรวมถึงเรื่องราวการสร้าง ด้วยการกำเนิดของประเพณีทางวิทยาศาสตร์นักวิทยาศาสตร์เริ่มเข้าใจจักรวาลในแง่ของกฎทางกายภาพที่สามารถทดสอบและพิสูจน์ได้

ด้วยรุ่งอรุณแห่งยุคอวกาศนักวิทยาศาสตร์เริ่มทดสอบทฤษฎีจักรวาลวิทยาในแง่ของปรากฏการณ์ที่สังเกตได้ จากทั้งหมดนี้ทฤษฎีจำนวนหนึ่งเกิดขึ้นในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ 20 ที่พยายามอธิบายว่าสสารทั้งหมดและกฎทางกายภาพที่ควบคุมมันมาอย่างไร ในบรรดาทฤษฎีบิ๊กแบงยังคงเป็นที่ยอมรับอย่างกว้างขวางที่สุดในขณะที่สมมติฐานของรัฐที่มั่นคงเป็นสิ่งที่ท้าทายที่สุดในประวัติศาสตร์

โมเดล Steady-State ระบุว่าความหนาแน่นของสสารในเอกภพที่ขยายตัวยังคงไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อเวลาผ่านไปเนื่องจากการสร้างสสารอย่างต่อเนื่อง กล่าวอีกนัยหนึ่งจักรวาลที่สังเกตได้นั้นยังคงเหมือนเดิมโดยไม่คำนึงถึงเวลาหรือสถานที่ สิ่งนี้ทำให้มันตรงกันข้ามกับทฤษฎีที่ว่าสสารส่วนใหญ่ถูกสร้างขึ้นในเหตุการณ์เดียว (บิกแบง) และมีการขยายตัวนับตั้งแต่นั้นมา

ต้นกำเนิด

ในขณะที่ความคิดของจักรวาลที่มั่นคงและไม่มีการเปลี่ยนแปลงได้รับการยอมรับตลอดประวัติศาสตร์มันไม่ได้จนกว่ายุคสมัยใหม่ในช่วงต้นที่นักวิทยาศาสตร์เริ่มตีความสิ่งนี้ในแง่ดาราศาสตร์ ตัวอย่างแรกที่ชัดเจนของเรื่องนี้ถูกถกเถียงกันในบริบทของดาราศาสตร์และจักรวาลวิทยาคือในไอแซคนิวตัน หลักการทางคณิตศาสตร์ของปรัชญาธรรมชาติ (Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica) เผยแพร่ใน 1687

ในผลงานชิ้นเอกของนิวตันเขาคิดว่าเอกภพนอกระบบสุริยะเป็นพื้นที่ว่างที่ขยายอย่างสม่ำเสมอในทุกทิศทางสู่ระยะทางที่ไม่สามารถวัดได้ เขาอธิบายเพิ่มเติมผ่านการพิสูจน์ทางคณิตศาสตร์และการสังเกตว่าการเคลื่อนไหวและการเปลี่ยนแปลงทั้งหมดในระบบนี้ถูกอธิบายผ่านหลักการเดียวของความโน้มถ่วงสากล

อย่างไรก็ตามสิ่งที่จะเป็นที่รู้จักในฐานะสมมติฐานของรัฐที่มั่นคงไม่ได้เกิดขึ้นจนกระทั่งต้นศตวรรษที่ 20 แบบจำลองดาราศาสตร์นี้ได้รับแรงบันดาลใจจากการค้นพบจำนวนมากรวมถึงความก้าวหน้าในด้านฟิสิกส์เชิงทฤษฎี สิ่งเหล่านี้รวมถึงทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ Einstein ของอัลเบิร์ตไอน์สไตน์และการสังเกตการณ์ของเอ็ดวินฮับเบิลว่าจักรวาลอยู่ในสภาวะขยายตัว

Einstein ทำทฤษฎีนี้ให้เป็นทางการในปี 1915 หลังจากตัดสินใจขยายทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของเขาเพื่อรวมแรงโน้มถ่วง ในที่สุดทฤษฎีนี้ระบุว่าแรงโน้มถ่วงของสสารและพลังงานเปลี่ยนแปลงความโค้งของกาลอวกาศรอบ ๆ โดยตรง หรือในฐานะนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีที่มีชื่อเสียงอย่าง John Wheeler ได้สรุปไว้ว่า“ space-time บอกว่าจะเคลื่อนที่อย่างไร สสารบอกเวลาอวกาศว่าจะโค้งอย่างไร”

ในปี 1917 การคำนวณเชิงทฤษฎีจากสมการภาคสนามของ Einstein แสดงให้เห็นว่าจักรวาลนั้นต้องอยู่ในสภาวะขยายตัวหรือหดตัว ในปี 1929 ข้อสังเกตที่ทำโดย George Lemaitre (ผู้เสนอทฤษฎีบิ๊กแบง) และ Edwin Hubble (ใช้กล้องโทรทรรศน์ Hooker ขนาด 100 นิ้วที่หอดูดาว Mount Wilson) แสดงให้เห็นว่าหลังเป็นกรณี

จากการเปิดเผยเหล่านี้การอภิปรายเริ่มขึ้นในช่วงทศวรรษที่ 1930 เกี่ยวกับต้นกำเนิดที่เป็นไปได้และธรรมชาติที่แท้จริงของเอกภพเริ่มขึ้น อีกด้านหนึ่งมีผู้ที่ยืนยันว่าเอกภพมีอายุค่อนข้าง จำกัด และมีวิวัฒนาการเมื่อเวลาผ่านไปด้วยความเย็นการขยายตัวและการก่อตัวของโครงสร้างเนื่องจากแรงโน้มถ่วงล่มสลาย ทฤษฎีนี้มีชื่อว่า "บิ๊กแบง" เสียดสีโดย Fred Hoyle และชื่อติดอยู่

ในขณะเดียวกันนักดาราศาสตร์ส่วนใหญ่ในช่วงเวลาที่ถือทฤษฎีว่าขณะที่เอกภพที่สังเกตได้กำลังขยายตัว แต่ก็ไม่ได้เปลี่ยนแปลงในแง่ของความหนาแน่นของสสาร ในระยะสั้นผู้เสนอทฤษฎีนี้แย้งว่าจักรวาลไม่มีจุดเริ่มต้นไม่มีจุดสิ้นสุดและสสารถูกสร้างอย่างต่อเนื่องตลอดเวลา - ในอัตราหนึ่งอะตอมไฮโดรเจนต่อลูกบาศก์เมตรต่อ 100 พันล้านปี

ทฤษฎีนี้ได้ขยายหลักการด้านจักรวาลวิทยาของ Einstein หรือที่รู้จักกันในชื่อ Cosmological Constant (CC) ซึ่ง Einstein เสนอในปี 1931 อ้างอิงจาก Einstein แรงนี้มีความรับผิดชอบในการ“ ระงับแรงโน้มถ่วง” และสร้างความมั่นใจว่าจักรวาลยังคงมั่นคงเป็นเนื้อเดียวกันและ isotropic ในแง่ของโครงสร้างขนาดใหญ่

การแก้ไขหลักการนี้และขยายออกไปสมาชิกของโรงเรียนแห่งความคิดที่มั่นคงได้แย้งว่าเป็นการสร้างสสารอย่างต่อเนื่องเพื่อให้มั่นใจว่าโครงสร้างของจักรวาลยังคงเหมือนเดิมตลอดเวลา เรื่องนี้เป็นที่รู้จักกันในนามว่าเป็นหลักการทางจักรวาลวิทยาที่สมบูรณ์แบบซึ่งจะช่วยยึดถือสมมุติฐานของรัฐที่มั่นคง

ทฤษฎีของรัฐที่มั่นคงกลายเป็นที่รู้จักอย่างกว้างขวางในปี 1948 ด้วยการตีพิมพ์เอกสารสองฉบับ: "แบบจำลองใหม่สำหรับจักรวาลขยายตัว" โดยนักดาราศาสตร์ชาวอังกฤษ Fred Hoyle และ "ทฤษฎีมั่นคงของรัฐและจักรวาลขยายตัว" โดยนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ชาวออสเตรีย - ออสเตรีย และทีมนักดาราศาสตร์ของ Hermann Bondi และ Thomas Gold

ข้อโต้แย้งและการทำนายหลัก

ข้อโต้แย้งในความโปรดปรานของสมมุติฐานของรัฐที่มั่นคงรวมถึงปัญหาระยะเวลาที่ชัดเจนที่เกิดขึ้นจากอัตราการขยายตัวของเอกภพที่สังเกตได้ (อาคาค่าคงตัวฮับเบิลหรือกฎฮับเบิล - เลเมสเตร) จากการสำรวจกาแลคซีใกล้เคียงของฮับเบิลเขาคำนวณว่าจักรวาลกำลังขยายตัวด้วยความเร็วที่เพิ่มขึ้นตามระยะทางอย่างเป็นระบบ

สิ่งนี้ก่อให้เกิดความคิดที่ว่าจักรวาลเริ่มขยายจากพื้นที่น้อยกว่ามาก ในกรณีที่ไม่มีการเร่งความเร็ว / การลดความเร็ว - 500 km / s ต่อ Megaparsec (310 mps ต่อ Mpc) - ค่าคงที่ฮับเบิลหมายความว่าสสารทั้งหมดนั้นมีการขยายตัวประมาณ 2 พันล้านปีซึ่งก็จะเป็นยุคบนของเอกภพ

การค้นพบนี้ขัดแย้งกับการหาคู่ของสารกัมมันตรังสีซึ่งนักวิทยาศาสตร์วัดอัตราการสลายตัวของแร่ยูเรเนียม -238 และพลูโทเนียม-205 ในตัวอย่างหิน โดยใช้วิธีการนี้ตัวอย่างหินที่เก่าแก่ที่สุด (ซึ่งเป็นดวงจันทร์กำเนิด) ถูกประเมินว่ามีอายุ 4.6 ​​พันล้านปี ความไม่ลงรอยกันอีกประการหนึ่งเกิดขึ้นจากทฤษฎีวิวัฒนาการของดาวฤกษ์

ในระยะสั้นอัตราที่ไฮโดรเจนถูกหลอมรวมภายในดาวฤกษ์ (เพื่อสร้างฮีเลียม) ให้อายุประมาณ 10 พันล้านปีสำหรับกระจุกดาวทรงกลมซึ่งเป็นดาวที่เก่าแก่ที่สุดในกาแลคซี ยิ่งไปกว่านั้นไม่มีการวิวัฒนาการในระยะทางไกลที่จะเกิดขึ้นในแบบจำลองนี้ - ซึ่งหมายความว่าแหล่งกำเนิดวิทยุ - หรือที่รู้จัก ควาซาร์หรือ Active Galactic Nuclei (AGNs) - จะเหมือนกันทั่วทั้งจักรวาล

มันก็หมายความว่าค่าคงที่ฮับเบิล (คำนวณในช่วงต้นศตวรรษที่ 20) จะคงที่ แบบจำลอง Steady-State ยังทำนายว่าการสร้างแอนทายแมทเทอร์และนิวตรอนอย่างสม่ำเสมอจะส่งผลให้เกิดการทำลายล้างและการสลายตัวของนิวตรอนเป็นประจำจึงนำไปสู่การมีพื้นหลังของรังสีแกมมาและก๊าซเอกซ์เรย์

Big Bang สำหรับผู้ชนะ

อย่างไรก็ตามการสังเกตอย่างต่อเนื่องในช่วงปี 1950 และ 1960 ได้นำไปสู่การสร้างหลักฐานที่ชัดเจนเกี่ยวกับสมมติฐานของรัฐที่มั่นคง สิ่งเหล่านี้รวมถึงการค้นพบแหล่งกำเนิดคลื่นวิทยุที่สว่างไสว (aka. ควอซาร์และกาแลคซีวิทยุ) ซึ่งถูกค้นพบในกาแลคซีไกลโพ้น แต่ไม่ใช่แหล่งที่อยู่ใกล้เราที่สุด - ระบุว่ากาแลคซีจำนวนมากกลายเป็น

ในปีพ. ศ. 2504 การสำรวจแหล่งวิทยุได้อนุญาตให้ทำการวิเคราะห์ทางสถิติซึ่งตัดความเป็นไปได้ที่กาแลคซีคลื่นวิทยุสว่างจะถูกกระจายอย่างสม่ำเสมอ ข้อโต้แย้งที่สำคัญอีกประการหนึ่งต่อสมมุติฐานของรัฐที่มั่นคงคือการค้นพบภูมิหลังไมโครเวฟในจักรวาลในปี 2507 ซึ่งโมเดลบิ๊กแบงทำนายไว้

เมื่อรวมกับการไม่มีพื้นหลังของรังสีแกมม่าและเมฆที่แผ่กระจายไปทั่วของแก๊สที่ปล่อยรังสีเอกซ์รุ่นบิ๊กแบงก็เป็นที่ยอมรับกันอย่างกว้างขวางในช่วงปี 1960 ในปี 1990 การสำรวจด้วย กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล และหอดูดาวอื่น ๆ ก็ค้นพบว่าการขยายตัวของเอกภพนั้นไม่สม่ำเสมอตลอดเวลา ในช่วงสามพันล้านปีที่ผ่านมาในความเป็นจริงมันเร่งตัวขึ้น

สิ่งนี้นำไปสู่การปรับแต่งค่าคงที่ฮับเบิลหลายครั้ง จากข้อมูลที่เก็บรวบรวมโดย Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) ปัจจุบันอัตราการขยายตัวของจักรวาลอยู่ระหว่าง 70 ถึง 73.8 km / s ต่อ Mpc (43.5 ถึง 46 mps ต่อ Mpc) โดยมีข้อผิดพลาด 3% ค่าเหล่านี้มีความสอดคล้องกับการสังเกตที่ทำให้อายุของจักรวาลอยู่ที่ประมาณ 13.8 พันล้านปี

ตัวแปรที่ทันสมัย

เริ่มต้นในปี 1993 Fred Hoyle และนักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ Geoffrey Burbidge และ Jayant V. Narlikar เริ่มตีพิมพ์ชุดการศึกษาที่พวกเขาเสนอรุ่นใหม่ของสมมุติฐานของรัฐที่มั่นคง รู้จักกันในชื่อ Quasi-Steady-State hypothesis (QSS) การเปลี่ยนแปลงนี้พยายามอธิบายปรากฏการณ์ทางดาราศาสตร์ที่ทฤษฎีเก่าไม่ได้อธิบาย

แบบจำลองนี้ชี้ให้เห็นว่าจักรวาลเป็นผลมาจากการสร้าง (หรือที่รู้จักกันว่ามินิ - บาง) เกิดขึ้นในช่วงหลายพันล้านปีที่ผ่านมา แบบจำลองนี้ได้รับการแก้ไขเพื่อตอบสนองต่อข้อมูลที่แสดงให้เห็นว่าอัตราการขยายตัวของเอกภพนั้นเร็วแค่ไหน แม้จะมีการดัดแปลงเหล่านี้ แต่กลุ่มนักดาราศาสตร์ก็ยังถือว่า Big Bang เป็นแบบอย่างที่ดีที่สุดสำหรับการอธิบายปรากฏการณ์ที่สังเกตได้ทั้งหมด

วันนี้รุ่นนี้เป็นที่รู้จักกันในชื่อรุ่นแลมบ์ดา - Cold Dark Matter (LCDM) ซึ่งรวมเอาทฤษฎีปัจจุบันเกี่ยวกับ Dark Matter และ Dark Energy เข้ากับทฤษฎีบิ๊กแบง ทั้งๆที่นั้น, สมมติฐานของรัฐที่มั่นคง (และตัวแปรต่างๆ) นั้นยังคงได้รับการสนับสนุนโดยนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์และนักดาราศาสตร์วิทยาบางคน และไม่ใช่ทางเลือกเดียวกับ Big Bang Cosmology ...

เราได้เขียนบทความเกี่ยวกับจักรวาลวิทยามากมายที่ Space Magazine นี่คือจักรวาลทฤษฎีบิ๊กแบง: วิวัฒนาการของจักรวาลของเราทฤษฎีจักรวาลสั่นคืออะไร? อะไรคือบิ๊กริปคืออะไรทฤษฎีมัลติลิขสิทธิ์คืออะไรทฤษฎีการคริสตจักรจักรวาลคืออะไร? , วิกฤตครั้งใหญ่: จุดจบของจักรวาลของเรา, การตรึงครั้งใหญ่คืออะไร, และจักรวาลวิทยา 101: จุดจบ

นักดาราศาสตร์ก็มีบางตอนที่น่าสนใจในเรื่อง นี่คือตอนที่ 5: พื้นหลังไมโครเวฟขนาดใหญ่และอวกาศตอนที่ 6: หลักฐานเพิ่มเติมสำหรับบิกแบงตอนที่ 79: จักรวาลมีขนาดใหญ่แค่ไหนตอนที่ 187: ประวัติศาสตร์ดาราศาสตร์ตอนที่ 5: ศตวรรษที่ 20 และตอนที่ 499: กฎหมาย Hubble-Lemaitre ที่เสนอคืออะไร

แหล่งที่มา:

• Wikipedia - หลักการจักรวาลวิทยา
• Wikipedia - สมมติฐานที่มั่นคง
• ไอเดียของจักรวาลวิทยา - บิ๊กแบงหรือรัฐมั่นคง?
• สารานุกรมบริแทนนิกา - ทฤษฎีมั่นคง
• UBC ดาราศาสตร์และฟิสิกส์ดาราศาสตร์ - ปัญหาพื้นฐานในจักรวาลวิทยา
• “ รูปแบบใหม่สำหรับจักรวาลที่ขยายตัว” Hoyle, F. MNRAS, vol. หมายเลข 108 372 (1948)
• “ แบบจำลองเสมือนรัฐมั่นคงและแบบจำลองทางดาราศาสตร์ที่เกี่ยวข้อง: บทวิจารณ์ทางประวัติศาสตร์” Kragh เอช (2012)
• “ ทฤษฎีมั่นคงแห่งรัฐของจักรวาลที่ขยายตัว” MNRAS, vol. หน้า 108 252 (1948)
• “ ทฤษฎีความมั่นคงของไอน์สไตน์: แบบจำลองจักรวาลที่ถูกทิ้งร้าง” The European Physical Journal H, vol. 39, pg. 353-367 (2014)
• “ แบบจำลองทางดาราศาสตร์เกี่ยวกับดาราศาสตร์ในสถานะกึ่งมั่นคงด้วยการสร้างสสาร” Hoyle, F .; Burbidge, G .; Narlikar, J. V. , Astrophysical Journal v. 410, p. 437 (1993)