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“稳态假说”输给了“大爆炸”?到底什么是稳态假说?

归档日期:09-15       文本归类:大爆炸假说      文章编辑:爱尚语录

  说到我们的宇宙起源,其实可以追溯到人类意识诞生以来的历程。而在人类的整个历史进程中,产生的许多理论引领了人类科学的进步。从字面上看,每一种文化都有自己的独特韵味,其中自然包括一个创世故事。随着科学传统的诞生,科学家们开始更加贴近现实的理论,或者说是以可以被检验和证明的物理定律的角度来理解宇宙。

  随着太空时代的到来,科学家们开始用可观察到的现象来检验宇宙学理论。由此,20世纪下半叶出现了一些理论,这些理论试图解释所有物质和支配它们的物理定律是如何形成的。而在这些理论中,大爆炸理论仍然是最被广泛接受的,但是还有一种理论在历史上一直与大爆炸理论针锋相对,那就是稳态理论。

  稳态模型表明,由于物质不断在产生,导致宇宙即使在膨胀,物质的密度随时间依然可以保持不变。换句话说,无论何时何地,可观测到的宇宙本质上保持不变。这与认为大部分物质是在单一事件(大爆炸)中产生并一直在膨胀的理论形成了鲜明的对比。

  虽然宇宙稳定不变的概念在历史上一直被科学家所接受,但并没有引起特别的关注,直到近代早期科学家才开始用天体物理学的术语来解释它。第一个明确的例子是在天文学和宇宙学的背景下,艾萨克·牛顿在自然哲学的数学原理刊物中解释了这一概念。

  在牛顿的这部巨著中,他将太阳系之外的宇宙概念化为一个向各个方向均匀延伸至无限距离的真空空间。他通过数学证明和观察进一步解释了这个系统中所有的运动和动力学都是通过万有引力的单一原理来解释的。

  然而,所谓的稳态假说直到20世纪初才出现。这个宇宙模型的灵感来自于科学家一系列的发现,以及理论物理学领域的突破。这些理论包括阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论和埃德温·哈勃关于宇宙处于膨胀状态的观测。

  爱因斯坦在1915年正式提出了这个理论,他决定将狭义相对论扩展到万有引力。最终,这一理论认为,物质和能量的引力会直接改变其周围时空的曲率。或者正如著名的理论物理学家约翰·惠勒所总结的那样:“时空告诉物质如何运动,物质告诉时空如何弯曲。”

  1917年,基于爱因斯坦场方程的理论计算表明,宇宙要么处于膨胀状态,要么处于收缩状态。到1929年,乔治·勒梅特(George Lemaitre)(他提出了宇宙大爆炸理论)和埃德温·哈勃(Edwin Hubble)使用威尔逊山天文台(Mount Wilson Observatory) 100英寸的胡克(Hooker)望远镜进行的观测证明,后一种理论是正确的。

  基于这些发现,20世纪30年代开始了一场关于宇宙可能起源和真实性质的剧烈辩论。一方面,有人断言,宇宙的年龄是有限的,随着时间的推移,它会通过冷却、膨胀和由于引力坍缩而形成的结构而进化。这个理论被弗雷德·霍伊尔(Fred Hoyle)讽刺地命名为“大爆炸”(Big Bang),这个名字从此为世人所知。

  与此同时,当时的大多数天文学家都坚持这样的理论:虽然可观测的宇宙在膨胀,但它的物质密度却没有变化。简而言之,宇宙没有起点,也没有终点,随着时间的推移,物质以每立方米每1000亿年一个氢原子的速度不断被创造出来。这个理论也扩展了爱因斯坦的宇宙学原理。而宇宙常数(CC)就是爱因斯坦在1931年提出的。根据爱因斯坦的理论,这种力主要负责“阻止或者抵消重力”,以确保宇宙在大尺度结构上保持稳定、均匀和各向同性。

  然而站在稳定状态学派的成员修改并扩展了这一原理,他们认为是物质的不断创造确保了宇宙的结构在一段时间内保持不变。这就是所谓的完美宇宙学原理,它推翻了原本的稳态假说。

  支持稳定状态假说的论据包括由观测到的宇宙膨胀率引起的明显的时间尺度问题。根据哈勃对附近星系的观察,他计算出宇宙正在以一种随距离系统地增加的速度膨胀,也就是哈勃常数。这就产生了宇宙是从一个小得多的空间开始膨胀的理论。在没有加速/减速的情况下速率达到500公里/秒每百万秒(310 mps / Mpc),哈勃常数意味着所有的物质已经膨胀了大约20亿年,这也是宇宙的上年纪。

  这一发现与放射性年代测定法相矛盾,在放射性年代测定法中,科学家测量了岩石样品中铀-238和钚-205沉积物的衰变速率。用这种方法,最古老的岩石样本(起源于月球)估计有46亿年的历史。简而言之,氢在恒星内部融合(产生氦)的速度,使球状星团——银河系中最古老的恒星——的年龄上限达到了100亿年。更重要的是,在这个模型中不可能发生远距离的进化,这意味着类星体或活动星系核(AGNs)的射电源在整个宇宙中都是统一的。

  这也意味着哈勃常数的数值将保持不变。稳态模型还预测,反物质和中子的稳定生成将导致常规湮灭和中子衰变,从而导致在整个宇宙中存在伽马射线背景和热x射线发射气体。

  然而,在20世纪50年代和60年代的持续观测稳步导致了反对稳态假说的证据进一步的积累。这些来自类星体和射电星系的明亮射电源是在遥远的星系中发现的,而不是在离我们最近的星系中发现的,这表明随着时间的推移,许多星系的射电源已经趋于平静。

  到1961年,科学家通过对射电源的调查进行统计分析,从而排除了明亮的射电星系均匀分布的可能性。另一个反对稳态假说的主要论据是1964年宇宙微波背景(CMB)的发现,这是大爆炸模型所预测的。

  由于缺乏伽马射线背景和x射线气体云团存在的普遍性,大爆炸模型在20世纪60年代被广泛接受。到20世纪90年代,用哈勃太空望远镜和其他天文台进行的观测也发现,宇宙膨胀并不是随着时间的推移而一致的。事实上,在过去的30亿年里,它一直在加速。换句话说,哈勃常数经历了好几次更迭。根据威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)收集的数据,宇宙膨胀率目前估计在每Mpc 70到73.8千米/秒(每Mpc 43.5到46千米/秒)之间,误差为3%。这些数值与宇宙年龄约为138亿年的观测结果更为一致。

  从1993年开始,弗雷德·霍伊尔(Fred Hoyle)和天体物理学家杰弗里·伯比奇(Geoffrey Burbidge)和贾扬特·v·纳利卡(Jayant V. Narlikar)开始发表一系列研究论文,在这些论文中,他们提出了稳态假说的一个新版本。这种变化被称为准稳态假说(QSS),它是科学家用来解释旧理论无法解释的宇宙现象。

  这个模型表明宇宙是宇宙创造的结果,在几十亿年的时间里发生了小爆炸。这个模型是根据显示宇宙膨胀速度如何加速的数据而修改的。尽管做了这些修改,天文学界仍然认为大爆炸是解释所有可观测现象的最佳模型。

  今天,这个模型被称为蓝白道冷暗物质(LCDM)模型,它将当前关于暗物质和暗能量的理论与大爆炸理论结合起来。尽管如此,一些天体物理学家和宇宙学家仍然主张稳态假说。它不是大爆炸宇宙学的唯一选择。返回搜狐,查看更多

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