Космос
Креацентр > Статьи > Космос > Космология двадцатого века

Космология двадцатого века

Современная физика

В течение двух столетий ньютоновская физика имела беспрецедентные успехи в истории науки, но к концу 19-го века несколько экспериментов дали результаты, которые не ожидались. Эти результаты не поддавались объяснению с помощью ньютоновской физики, и эта неудача привела в начале 20-го века к тому, что называется современной физикой. Современная физика имеет два важных столпа: квантовую механику и общую теорию относительности. Квантовая механика — это физика малых систем, таких как атомы и субатомные частицы. Общая теория относительности — это физика очень высоких скоростей или больших концентраций массы или энергии. Обе эти сферы выходят за рамки повседневного опыта, и поэтому квантово-механические и релятивистские эффекты обычно не заметны. Другими словами, ньютоновская механика, которая является физикой повседневного опыта, является частным случаем современной физики.

Некоторые ученые-креационисты с подозрением относятся как к квантовой механике, так и к общей теории относительности. Часть подозрений в квантовой механике проистекает из копенгагенской интерпретации, философского взгляда на квантовую механику (копенгагенская интерпретация — толкование квантовой механики, которое сформулировали Нильс Бор и Вернер Гейзенберг во время совместной работы в Копенгагене — прим. ред.). В квантовой механике решение, описывающее местоположение, скорость и другие свойства частицы, является волновой функцией. Волновая функция представляет собой функцию вероятности. Там, где значение волновой функции велико, существует высокая вероятность нахождения частицы, а там, где значение волновой функции мало, существует малая вероятность нахождения частицы. Этот результат довольно легко понять, когда рассматривается большое количество частиц — там, где вероятность высока, есть большая вероятность найти больше частиц.

Однако как интерпретировать результат при рассмотрении только одной частицы? Копенгагенская интерпретация утверждает, что частица существует во всех возможных состояниях одновременно. Частица существует в этом странном состоянии до тех пор, пока никто не наблюдает за частицей. При наблюдении мы говорим, что волновая функция коллапсирует и частица принимает какое-то определенное состояние. Если эксперимент проводится достаточно часто, то распределение результатов эксперимента соответствует предсказаниям функции вероятности, полученной из волнового решения.

Это предполагает фундаментальную неопределенность относительно Вселенной, которая противоречит христианскому взгляду на мир и всеведущему Богу. Всеведущий Бог знает результат любого эксперимента, идея, которая поддерживается предопределенным миром ньютоновской механики. С помощью ньютоновской механики, если знать все свойства, такие как местоположение и скорости частиц в одно время, все такие свойства частиц могут быть однозначно определены в любое другое время. Эта способность называется детерминизмом. Казалось бы, квантовая механика приводит к фундаментальной неопределенности, которую даже Бог не может исследовать. Неопределенность обычно является результатом незнания, то есть нам не хватает входной информации для расчета будущих состояний системы. Однако неопределенность, введенная квантовой механикой, не является невежеством, и поэтому мы называем эту неопределенность фундаментальной. Под «фундаментальной неопределенностью» мы подразумеваем, что даже если бы у нас была бесконечная точность всех соответствующих переменных, мы все равно не смогли бы предсказать результат будущих экспериментов. Возможные ответы на это возражение состоят в том, что либо копенгагенская интерпретация неверна, либо квантовая механика является неполной теорией. Филипп Деннис1 утверждал, что квантовая механика, вероятно, является неполной теорией и что неопределенность не является проблемой для христианина.

Одно возражение против современной теории относительности исходит из незаконного присвоения этого термина моральными релятивистами. Моральные релятивисты утверждают, что все относительно и что общая теория относительности дала физическое доказательство этого. Общая теория относительности не говорит ничего подобного. На самом деле, он говорит прямо противоположное, что есть определенные абсолюты. Даже если бы это утверждение было правдой, это ложный аргумент. Физические законы не имеют отношения к морали и этике. Еще одна оговорка относительно относительности, которую высказывают некоторые креационисты, заключается в ее предполагаемой тесной связи с космогонией Большого взрыва. Рассуждение, по-видимому, заключается в том, что если Большой взрыв не верен, то и относительность не верна. Но большой взрыв — это лишь один из возможных результатов теории относительности. Космогонии, основанные на творении, могут быть созданы с помощью теории относительности, как это было предпринято Руссом Хамфрисом.2

Те, кто сомневается в одном или обоих столпах современной физики, также выражают беспокойство, чувствуя, что они просто бросают вызов «здравому смыслу». Однако в мире есть много вещей, которые бросают вызов здравому смыслу. Например, автор этой книги никогда не перестает удивляться третьему закону движения Ньютона, согласно которому, когда объект оказывает силу на другой объект, второй объект оказывает противоположную и равную силу на первый объект. Мы увидим, что один из вопросов к общей теории относительности: как гравитационная сила передается через пустое пространство? Ньютоновская физика просто предполагает, что сила мгновенно и таинственно действует на больших расстояниях. Это тоже противоречит здравому смыслу. Важный вопрос для любой теории является то, насколько хорошо она описывает реальность.

Обе теории современной физики были широко проверены в экспериментах и оказались очень надежными теориями. Эти теории были лучше, чем почти любые другие в истории науки. Поэтому в дальнейшем предполагается, что эти модели являются правильными, если не полными. Обе теории играют важную роль в современной космологии, но только относительность имеет значение в историческом развитии современной космологии, поэтому дальнейшее обсуждение квантовой механики будет отложено до следующей статьи.

В то время как многие люди работали на основе современной теории относительности, Альберт Эйнштейн обычно получает большую часть почестей. Его специальная теория относительности была опубликована в 1905 году, а затем его общая теория в 1916 году. Специальная теория не так уж и сложна для понимания. Он имеет дело с ситуациями постоянных скоростей вблизи скорости света. Предположим, что космический корабль движется со скоростью 60% скорости света к неподвижному человеку. Теперь предположим, что неподвижный человек направил свет на движущегося астронавта. Можно было бы подумать, что если бы движущийся наблюдатель измерил скорость светового луча, то эта скорость составила бы 160% скорости света. Если бы, с другой стороны, космический корабль удалялся, можно было бы ожидать, что измеренная скорость света будет составлять 40% от нормальной скорости света. Однако фактическое измерение показывает, что скорость света является постоянной независимо от того, насколько наблюдатель может двигаться. Такой результат был получен в результате знаменитого эксперимента Майкельсона-Морли в 1887 году. Этот факт был одним из первых экспериментов, показавших несостоятельность классической ньютоновской механики.

Схема эксперимента Майкельсона-Морли

Изображение предоставлено Брайаном Миллером


Эйнштейн взял инвариантность скорости света в качестве постулата и исследовал последствия. Он обнаружил, что вблизи скорости света время должно замедляться по сравнению со временем, измеряемым тем, кто не движется. Длина космического аппарата должна уменьшаться с увеличением скорости, а масса тела должна увеличиваться с увеличением скорости. Эти эффекты соответственно называются замедлением времени, сокращением длины и увеличением массы, и все они были подтверждены в многочисленных экспериментах. Кстати, специальная теория относительности предсказывает, что масса увеличивается к бесконечности по мере приближения скорости к скорости света. Таким образом, для достижения скорости света потребуется бесконечное количество энергии. Это невозможно, поэтому ни одна частица, имеющая массу, не может двигаться со скоростью света.

Общая теория относительности связана с ускоренным движением на высоких скоростях. К сожалению, она требует использования сложных математических абстракций, и поэтому ее нелегко понять. Пока мы не будем обсуждать какие-либо математические детали, мы качественно опишем то, что пытается сделать теория.

Как было сказано ранее, один из вопросов, который пытается объяснить общая теория относительности, заключается в том, как гравитационная сила передается через пустое пространство. Солнце находится на расстоянии 93 миллионов миль от Земли, и все же Земля каким-то образом не только знает, как далеко находится Солнце, но и в каком направлении находится Солнце и какова его масса. Вся эта информация необходима для определения силы тяжести. В ньютоновской теории гравитационная сила действует на расстоянии, не догадываясь о том, как необходимая информация или сила передается на расстояние. Общая теория относительности отвечает на этот вопрос, рассматривая пространство как реальную сущность, через которую информация может передаваться подобно волне. Пространство и время обрабатываются подобным образом, так что пространство можно рассматривать как состоящее из четырех измерений, трех из пространства и одного из времени. Уравнения общей теории относительности говорят о том, как рассматривать четыре измерения пространства. Любые два измерения пространства могут быть представлены в виде линий на графической бумаге, но вместо того, чтобы быть плоскими, как графическая бумага, пространство искривлено. Математика искривленного пространства подобна математике искривленного листа графической бумаги.

Что вызывает искривление пространства? В большом масштабе это может быть свойство самого пространства, но на локальном уровне кривизна является результатом присутствия материи или энергии. Для искривления пространства требуется большое количество энергии или материи. Большая масса или энергия искривит пространство на большую величину. Математические выражения общей теории относительности описывают величину кривизны, присутствующей в результате массы или энергии. Имейте в виду, что пространство здесь относится к четырехмерному многообразию, которое включает в себя время, поэтому мы должны правильно назвать его пространством-временем. Объекты перемещаются в пространстве по прямым траекториям, называемым геодезическими. Если пространство-время, через которое движется объект, плоское, то этот объект будет казаться нам движущимся по прямой или неподвижным. Если, с другой стороны, присутствует много материи или энергии, так что пространство-время искривлено, прямая траектория объекта через него заставит объект казаться ускоренным, когда мы его наблюдаем.

Хотя гравитация все еще остается загадочной силой, общая теория относительности устранила часть этой тайны и предложила более фундаментальное объяснение, чем ньютоновская теория. Ньютон утверждал, что гравитация достигает больших расстояний через пустое пространство без какого-либо объяснения, но общая теория относительности предлагает механизм того, как действует действие на расстоянии. Земля следует по геодезической линии в пространстве-времени. Если бы не было Солнца, пространство-время не искривлялось бы, и Земля казалась бы нам движущейся по прямой линии. То есть Земля не будет ускоряться. Однако большая масса Солнца производит изгиб в пространстве-времени, который передается наружу. В месте расположения Земли, она движется по геодезической линии в искривленном пространстве-времени. Прямолинейное движение Земли через искривленное пространство-время представляется нам ускорением.

Ньютоновская физика и общая теория относительности трактуют пространство и время совершенно по-разному. В ньютоновской физике, пространство — это не более чем фон, на котором массы движутся во времени. Таким образом, пространство, материя и время — очень разные вещи. В общей теории относительности пространство и время рассматриваются очень сходно, и оба имеют тесную связь с материей и энергией. В ньютоновской физике присутствие материи и энергии не влияет на пространство и время в общей теории относительности. Это больше, чем просто философское различие; это приводит к некоторым определенным различиям в предсказаниях, которые могут быть проверены, как мы сейчас обсудим.

В то время, когда Эйнштейн представил свою теорию, люди поняли, что предстоящее полное солнечное затмение дает прекрасную возможность проверить общую теорию относительности. Теория предсказывает, что когда свет проходит вблизи большой массы, лучи света должны быть слегка отклонены к большой массе из-за гравитации массы. Поэтому, если бы общая теория относительности была истинной, звезды, наблюдаемые вблизи края Солнца во время полного солнечного затмения, должны были бы казаться немного ближе к Солнцу, чем если бы общая теория относительности не была истинной. Во время полного солнечного затмения 1919 года была сделана фотография затменного Солнца и ряда звезд вблизи края Солнца. Положение звезд было тщательно измерено и сопоставлено с их положением на фотографии, сделанной полгода назад. Сдвиги в положении звезд соответствовали предсказаниям общей теории относительности, и поэтому это было воспринято как первое подтверждение теории.

Существует очень небольшое, но активное меньшинство физиков, которые отвергают общую теорию относительности. Они возражают против этого эксперимента на том основании, что ошибки в измерениях очень велики и могли бы заглушить измеряемый эффект. В этом утверждении есть определенная законность. Релятивистский эффект очень мал, а погрешности измерений и поправки, обусловленные преломлением земной атмосферы, были достаточно велики. Если бы это был конец дела, то антирелятивисты имели бы здесь основание для жалобы. Но на этом дело не кончилось. Подобные эксперименты были проведены во время многочисленных затмений с 1919 года, каждый с улучшением точности и согласия с предсказаниями общей теории относительности.

Кроме того, с начала 1970-х годов очень длинная базовая интерферометрия (very long base interferometry, VLBI) позволила нам повторить эксперимент с гораздо большей точностью. VLBI совмещает одновременные наблюдения от широко отделенных радиотелескопов для того, чтобы измерить положения источников радио с беспрецедентной точностью. Удаленные точечные радиоисточники, лежащие на эклиптике (плоскости орбиты Земли вокруг Солнца), имели свои положения в небе, измеренные с помощью VLBI. Находясь в орбитальной плоскости Земли, Солнце проходит эти объекты один раз в год. Мы можем переизмерить положение точечных радиоисточников, когда это произойдет. Различия в измерениях положений дают нам количество сдвигов, вызванных радиоволнами, проходящими вблизи края Солнца. Точность измеренных сдвигов в позициях на порядки выше, чем точность сдвигов затмения 1919 года. Этот эксперимент был повторен несколько раз, и в каждом случае наблюдаемые сдвиги очень хорошо соответствуют предсказаниям общей теории относительности.

Иллюстрация, показывающая Солнце и его гравитацию, наблюдателя с Земли и различные видимые и фактические положения звезды

Изображение предоставлено Брайаном Миллером


Когда Эйнштейн применил свои уравнения поля к Вселенной, стало понятно, что его теория испытывала трудности с объяснением Вселенной в том виде, как она понималась тогда. В предыдущей статье мы видели, что Ньютон верил, что Вселенная вечна, но что его теория гравитации заставило бы Вселенную давным-давно рухнуть на себя. Чтобы избежать этой трудности, Ньютон предположил, что Вселенная бесконечна по размеру. Он рассудил, что только тогда вся материя будет притягиваться одинаково во всех направлениях, чтобы создать статическую вселенную. Статическая вселенная — это вселенная, в которой материя не сжимается и не расширяется. Но в альтернативной теории гравитации Эйнштейна даже обращение к бесконечной вселенной потерпело неудачу. С помощью общей теории относительности бесконечная вселенная, в конечном итоге, коллапсирует сама на себя, что приводит к бесконечной плотности повсюду. Очевидно, что это не так, поэтому Эйнштейн должен был решить эту проблему.

Ответ, который выбрал Эйнштейн, состоял в том, чтобы ввести в свое решение то, что называется космологической постоянной. Космологическая постоянная, обозначенная греческой буквой лямбда (Λ), действует как своего рода антигравитация. Это равносильно термину самоотталкивания, который имеет пространство, но локально очень слаб. Однако на больших расстояниях это слабое место отталкивания будет накапливаться, чтобы стать важным фактором в структуре Вселенной. Точно настроив Λ, чтобы отменить эффект гравитации, Эйнштейн смог создать статическую вселенную, поскольку большинство людей в течение некоторого времени думали, что Вселенная должна быть такой. Если Λ не настроена на уравновешивание гравитации, то Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься.

Введение Λ вскоре подверглось критике, и Эйнштейн позже признал, что это была самая большая ошибка, которую он когда-либо делал. Однако Эйнштейн был слишком суров к себе в этом вопросе. Его уравнения поля — это дифференциальные уравнения, тип математики, основанной на исчислении, часто встречающийся в физическом мире. Общее решение дифференциального уравнения содержит постоянную. Дифференциальные уравнения часто используются в физике, и соответствующие константы обычно задаются начальными условиями задачи. Часто эти константы оказываются равными нулю. Начальные условия Вселенной определяют, что такое Λ, но мы не знаем этих начальных условий. Наблюдения за Вселенной могли бы сказать нам значение Λ, но это непростая задача. В течение десятилетий большинство данных предполагали, что Λ равно нулю, но предположения о том, что оно ненулевое, продолжают возникать. Если Λ не настроена на уравновешивание гравитации, то Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься.

Ранняя модель Большого взрыва

В течение двух лет после публикации общей теории относительности Эйнштейна бельгийский священник по имени аббат Леметр использовал ее для создания первой модели, которая предвосхитила принятую в настоящее время космологическую модель — Большой взрыв. Леметр назвал свою модель «космическим яйцом», что было довольно упрощенно по современным стандартам. Он предположил, что Вселенная началась со всей ее материи и энергии, сконцентрированной в очень горячей сфере, которая расширилась и охладилась во Вселенной, которую мы видим сегодня. Можно было бы спросить, откуда Леметр знал, что Вселенная расширяется, а не сжимается или статична. Одна возможность состоит в том, что он просто догадался, с помощью интуиции, об определенном и теистическом происхождения Вселенной в конечном прошлом. Это устранило бы статическую вселенную. Возможно, для него было более разумно, что Вселенная начиналась с малого и расширялась, а не с большого, а затем сжималась, тем самым устраняя сжимающуюся вселенную.

Другая возможность заключается в том, что Леметр, возможно, знал о работе Весто Слайфера, астронома обсерватории Лоуэлла, всего несколько лет назад. В 1913 году Слайфер показал, что многие из «туманностей» имеют большие красные смещения, указывающие на скорости многих сотен или даже тысяч километров в секунду от нас. Это было за десять лет до подтверждения теории островной Вселенной, поэтому эти «туманности» еще не были признаны внешними галактиками. Как члены нашей галактики, большие красные смещения этих «туманностей» не имели смысла, но если они были внешними галактиками, красные смещения имели прекрасный смысл в свете предсказаний модели Эйнштейна: Вселенная расширяется.

После своего подтверждения идеи островной Вселенной в 1924 году Хаббл, безусловно, понял значение красных смещений других галактик. Если это было свидетельством расширения Вселенной, то должна быть также связь между величиной красного смещения и расстоянием. Почему красное смещение и расстояние связаны? Любой, кто участвовал или смотрел 10-километровую гонку, может это увидеть. В течение десяти минут после начала гонки, бегуны будут растянуты на значительное расстояние. Самые быстрые бегуны будут наиболее удалены от стартовой линии, в то время как самые медленные бегуны будут ближе всего к стартовой линии. Бегуны всех промежуточных скоростей будут разбросаны между этими крайностями. В результате будет существовать прямая зависимость между скоростью и расстоянием от стартовой линии.

То же самое можно сказать и о галактиках. Те галактики, которые сейчас наиболее далеки, будут сделаны из материала, который наиболее быстро удалялся в начале существования Вселенной, в то время как те, которые ближе всего сейчас, сделаны из материала, который первоначально двигался очень медленно. Следует подчеркнуть, что эта простая аналогия, хотя и полезна для иллюстрации, имеет несколько недостатков. Во-первых, гонка включает в себя только одно пространственное измерение, в то время как расширение Вселенной включает в себя три. Другая заключается в том, что аналогия подразумевает, что Вселенная имеет центр и что Земля находится рядом с ним. Большинство космологических моделей сегодня не имеют центра. Наконец, аналогия подразумевает, что измеренные красные смещения являются доплеровскими сдвигами из-за движения в пространстве. Это не так; доплеровские сдвиги и красные смещения — две очень разные вещи. Это различие и отсутствие центра Вселенной будет обсуждаться далее.

В 1928 году Хаббл представил связь между расстоянием и красным смещением. Эта зависимость стала известна как закон Хаббла и может быть выражена как Z = H0D, где Z — красное смещение, D — расстояние, а H— константа пропорциональности, называемая постоянной Хаббла. Расстояния обычно выражаются в мега парсеках (Мпк). Мпк составляет миллион парсеков, а парсек — 3,26 световых лет, поэтому Мпк составляет 3,26 миллиона световых лет. Световой год — это расстояние, которое свет проходит за год. Z может быть выражен в км/сек, поэтому единицы измерения H0 — это км/сек Мпк. H0 измеряет скорость расширения Вселенной, и его значение представляет собой наклон линии, представляющей график красного смещения в зависимости от расстояния для большого числа галактик. Измерение красного смещения с помощью спектроскопии является простым и однозначным, но нахождение расстояния является сложной задачей и подвержено многим предположениям и потенциальным ошибкам. Первоначально Хаббл обнаружил, что H0 составляет более 500 км/сек Мпк, но к 1960-м годам H0 был уменьшен до чуть более 50 км/сек Мпк. В 1990-х годах несколько исследований предложили увеличить H0 примерно до 80 км/сек Мпк. Это более чем академический интерес, потому что это влияет на возраст Вселенной Большого взрыва, который будет обсуждаться позже.

Космологический принцип

Прежде чем уравнения общей теории относительности будут применены к Вселенной, обычно делается несколько предположений. Одно из предположений состоит в том, что Вселенная однородна. Однородность означает, что Вселенная обладает одинаковыми свойствами во всем. Конечно, однородность должна включать универсальность физических законов, иначе наука была бы невозможна. В космологии однородность обычно относится к появлению и структуре Вселенной, а также к распределению материи. Если материя во Вселенной является комковатой, то уравнения общей теории относительности не могут быть легко применены, поэтому это предположение в первую очередь основано на нашей способности делать математику. На локальном уровне Вселенная выглядит очень неуклюжей. Например, в звездах и планетах плотность материи высока, но на обширных пространствах пространства между звездами и планетами материя почти не существует.

Это распространенная проблема в физике — мы часто сталкиваемся с ситуациями, когда вовлеченная масса неуклюжа. Рассмотрим газ. Мы знаем, что он состоит из множества крошечных частиц, называемых атомами, которые разделены расстояниями, большими по сравнению с размерами атомов. Однако с помощью макроскопического подхода мы можем рассматривать газ так, как будто он состоит из некоторой непрерывной жидкости. На макроскопическом уровне газ кажется однородным, и его комковатая микроскопическая природа может быть проигнорирована. Точно так же предполагается, что в некотором большом масштабе Вселенная однородна, но в самом большом масштабе до сих пор зондируемая (скопления скоплений галактик) Вселенная все еще кажется комковатой. Если Вселенная действительно неоднородна, то неизвестно, какое влияние это окажет на нашу космологию.

Другое распространенное предположение состоит в том, что Вселенная изотропна. Изотропия означает, что Вселенная имеет одинаковый внешний вид или свойства во всех направлениях. Это гарантирует, что расширение одинаково во всех направлениях. Если бы был чистый поток в одном направлении, то Вселенная не была бы изотропной. Есть и другие способы, чтобы Вселенная не была изотропной. Несколько лет назад некоторые астрономы обнаружили, что поляризация далеких радиоисточников изменяется в зависимости от расстояния, но также и от направления в небе. Поляризация — это термин, используемый для описания направления, в котором вибрируют волны. Волна может вибрировать в любом направлении, перпендикулярном направлению движения волны. Обычно электромагнитные волны колеблются во многих направлениях, но часто волны колеблются преимущественно в одном направлении. Когда это происходит, мы говорим, что волна поляризована. Наблюдения за поляризацией дальних радиоисточников в зависимости от их направления в пространстве позволили предположить, что Вселенная принципиально различна в разных направлениях, то есть она не изотропна.

Предположение об однородности и изотропии вместе называется космологическим принципом. Космологический принцип наряду с наблюдением расширения Вселенной обычно приводит к модели Большого взрыва. Однако модель Большого взрыва — не единственная возможная модель в расширяющейся Вселенной, управляемой общей теорией относительности. Модель Большого взрыва заставляет признать, что у Вселенной было начало. Однако эта возможность многим ученым неприятна, как обсуждалось ранее, а также подтверждается эйнштейновским искажением значения Λ, чтобы получить статическую, вечную вселенную.

Другая попытка создать вечную вселенную начинается с предположения о совершенном космологическом принципе. Совершенный космологический принцип утверждает, что Вселенная всегда была однородной и изотропной. Фраза «на все времена» означает, что Вселенная всегда была и всегда будет такой, как сегодня. С этой точки зрения звезды и галактики постоянно рождаются, стареют и умирают, но Вселенная остается неизменной навсегда. Поскольку в этой модели Вселенная никогда не меняется, это называется стационарной теорией. Вы можете спросить: «Если Вселенная расширяется, ее средняя плотность должна уменьшаться, так как же Вселенная может оставаться неизменной согласно стационарной теории?» Для того чтобы стационарная вселенная поддерживала постоянную плотность, материя должна самопроизвольно возникать. Другое название стационарной теории — теория непрерывного творения. Некоторые могут возразить, что это нарушает закон сохранения материи, но закон сохранения материи — это просто утверждение о том, как мы видим, как работает Вселенная. Скорость производства новой материи на единицу объема, необходимого для поддержания постоянной плотности во Вселенной, настолько мала, что ускользает от нашего внимания. Те, кто поддерживает стационарную теорию, утверждают, что закон сохранения материи является лишь приближением того, как Вселенная действительно работает.

За 20 лет до 1965 года стационарная теория пользовалась большой поддержкой. Ее привлекательность проистекала из избегания начала и ее предельной простоты и красоты. Когда-то это было так красиво, что это должно быть правдой. Тем временем разрабатывались детали конкурирующей модели — Большого взрыва. Одному из самых сильных сторонников стационарной модели, покойному сэру Фреду Хойлу, приписывают название другой модели, когда он в раздражении заявил: «Вселенная не началась в каком-то Большом взрыве!» К огорчению Хойла, название застряло, несмотря на попытки найти для него лучшее название.

Предполагаемые доказательства Большого взрыва

Было представлено несколько доказательств против стационарной теории, но самым разрушительным было открытие в 1964 году (опубликованное в 1965 году) космического фонового излучения 3K (cosmic background radiation, CBR) Арно Пензиасом и Робертом Уилсоном. В 1978 году Пензиас и Вильсон получили Нобелевскую премию по физике за свою работу. Как исследователи в лаборатории Белла (Нью-Джерси), они разрабатывали технологию микроволновой передачи для связи. Пензиас и Уилсон обнаружили фоновый шум, для которого они не могли найти источник, и, казалось, исходящий со всех сторон. В 1948 году Джордж Гамов предсказал, что такое излучение должно быть замечено во всей Вселенной, но технологии для обнаружения в то время не существовало. К 1960-м годам технология действительно существовала, и Роберт Дикке из Принстонского университета планировал строительство оборудования для наблюдения за CBR, когда ему случилось обсудить этот вопрос с Робертом Уилсоном. Дикке призвал Пензиаса и Уилсона опубликовать свои выводы, а также сопутствующую статью Дикке, в которой объяснялось значение находки.

Согласно модели Большого взрыва, фотоны в CBR пришли из времени, когда Вселенной было несколько сотен тысяч лет и при температуре около 3 000 K. В то время большая часть материи во Вселенной была бы протонами и электронами, но температура и плотность были слишком высоки для атомов водорода, чтобы образоваться. В этом горячем газе фотоны были бы постоянно поглощены и переизлучены так, чтобы вещество и энергия были бы в равновесии, и излучение имело бы спектр черного тела, который был бы функцией температуры в то время. По мере расширения Вселенной газ охлаждался, а плотность уменьшалась до такой степени, что стабильный водород начинал образовываться и оставался неионизированным в виде атомов. Это время в истории Вселенной называется веком рекомбинации, хотя лучшим названием может быть век комбинации, так как атомы ранее не существовали.

Согласно модели, после эпохи рекомбинации материя во Вселенной перестала поглощать и переизлучать все излучение, и Вселенная впервые стала прозрачной. До эпохи рекомбинации материя и энергия были связаны таким образом, что излучение не могло выйти из материи. Поскольку свет так легко поглощался и переизлучался, средний свободный путь фотонов был чрезвычайно коротким. После эпохи рекомбинации средняя длина свободного пробега фотона стала практически размером Вселенной, и энергии впервые удалось вырваться из материи. Мы говорим, что материя и энергия были бы разъединены. Фотоны, высвобожденные в эпоху рекомбинации, путешествовали с небольшим взаимодействием в последующие 10-15 миллиардов лет. Фотоны сохранили спектр абсолютно черного тела, но вселенная с эпохи рекомбинации расширилась в тысячу раз, так что спектр абсолютно черного тела сместился в тысячу раз. Красное смещение уменьшило эффективную температуру черного тела с 3000 К до 3 К.

Стационарная теория не предсказывает CBR, потому что в стационарной теории Вселенная всегда казалась такой же, как и сегодня, поэтому никогда не было времени, когда Вселенная имела температуру 3000 K. Некоторые ученые приветствовали CBR как одно из величайших открытий астрономии 20-го века, потому что она устранила стационарную теорию и «доказала» теорию Большого взрыва. С середины 1960-х годов модель Большого взрыва господствовала как единственная жизнеспособная модель в оценке большинства космологов, поэтому ее окрестили «стандартной космологией». Это не значит, что все противники стандартной космологии сдались. В течение многих лет Хойл продолжал модифицировать стационарную теорию, чтобы она тоже предсказывала CBR, но он не добился успеха. Хойл и некоторые его коллеги, такие как Джефф Бербидж и Холтон Арп, указали на многочисленные проблемы с теорией Большого взрыва.

Стандартная космология была очень надежной и качественной моделью, о чем свидетельствуют многие технически сложные статьи по этому вопросу, публикуемые каждый год. На вопрос, откуда астрономы знают, что Большой взрыв является правильным сценарием происхождения Вселенной, обычно выдвигаются три доказательства. Одним из доказательств является CBR, как только что обсуждалось. Два других — это расширение Вселенной и изобилие легких элементов. Но насколько хороши эти доказательства? Прежде чем ответить на этот вопрос, мы должны немного исследовать природу доказательства и предсказания в науке.

Доказательство и прогнозирование       

О научной теории судят по тому, насколько хорошо она объясняет данные. Данные можно разделить на классы: данные, уже имеющиеся в наличии при разработке теории и новые данные из экспериментов, вдохновленных теорией. Уже имеющиеся данные используются для руководства построением теории. Хорошая теория должна быть способна объяснить все или, по крайней мере, большинство этих данных. Другими словами, теория должна быть в состоянии объяснить то, что мы уже знаем. Если это так, то мы говорим, что теория имеет хорошую объяснительную силу. Если теория не обладает хорошей объяснительной силой, то она должна быть изменена, или должна быть заменена другой теорией, которая делает это.

После того, как теория разработана, она может быть использована для получения определенных предсказаний о результатах экспериментов. Когда эксперимент выполняется, предсказания теории можно сравнить с данными эксперимента. Если предсказания совпадают с данными, то мы говорим, что теория была «доказана», хотя доказательство в этом контексте немного отличается от того, что подразумевается в дедуктивном рассуждении или даже в повседневном использовании. Лучшим выбором слова было бы сказать, что теория «подтвердилась». Если предсказания теории не соответствуют данным, то теория была опровергнута, и теория должна быть либо изменена, либо заменена. Один странный аспект науки заключается в том, что, хотя мы можем опровергать теории, быть полностью уверенным в том, что любая теория абсолютно правильна, невозможно. История науки полна теорий, которые когда-то пользовались доказательством или подтверждением только для того, чтобы в конечном итоге быть опровергнутыми. Примеры этих отброшенных теорий включают флогистонную теорию горения, теорию теплорода тепла, и абиогенез.

Мы можем сказать, что теория обладает предсказательной силой, если ее предсказания были проверены экспериментально. Многие теории обладают объяснительной силой, но не обладают предсказательной силой. Особенно это касается исторических наук. Большая часть предполагаемых доказательств биологической эволюции носит скорее объяснительный, чем предсказательный характер. Эволюция призвана объяснить то, что мы наблюдаем, но трудно представить себе эксперименты, которые могли бы четко проверить, что произошло в прошлом. То же самое относится и к творению. В любом случае возникает вопрос о фальсифицируемости. Если не может быть проведен эксперимент, который мог бы опровергнуть теорию, то теория не поддается фальсификации. Для объяснения того или иного явления можно придумать сколько угодно сценариев, но простое объяснение имеющихся фактов вряд ли может служить доказательством. Хорошая теория должна обладать как объяснительной, так и предсказательной силой.

Являются ли эти три доказательства Большого взрыва объяснительными или предсказательными по своей природе? Расширение Вселенной определенно объяснимо, а не предсказательно. Общая теория относительности предполагала, что Вселенная должна расширяться или сжиматься, но не могла предсказать конкретно. Тот факт, что Вселенная расширяется, может быть определен только наблюдательно. Гораздо позже была разработана модель Большого взрыва для объяснения того факта, что Вселенная расширяется. Для объяснения расширения можно построить любое количество моделей. Стационарная модель была одной из таких попыток. Ни одна космология не предсказала расширения, но они просто ответили на этот факт как на средство объяснения.

Доказательства, касающиеся обилия легких элементов, более тонкие, но это тоже, по-видимому, объясняет, а не предсказывает. Здесь речь идет о водороде, дейтерии, редком более тяжелом изотопе водорода, двух изотопах гелия (He3 и He4) и литии. Каждый из этих элементов был бы произведен в первые несколько минут Большого взрыва. Предполагается, что все более тяжелые элементы образовались в звездах. Космология Большого взрыва действительно предсказывает обилие легких элементов, но большинство людей не понимают, что информация о содержании элементов была введена в создание модели. Для ограничения того, какое подмножество возможных моделей является жизнеспособным, требуется знание об обилии легких элементов. На самом деле, небольшие изменения в нашем понимании этих изобилий позволили космологам точно настроить свои модели. Было бы очень странно, если бы модель не «предсказывала» параметры, которые были введены для теории. Это показало бы, что модель внутренне противоречива.

Изображение предоставлено НАСА

Изображение космического фонового излучения (CBR)


CBR, похоже, является чистым предсказанием модели Большого взрыва. CBR впервые был предсказан почти за два десятилетия до его открытия. Несмотря на то, что открытие Пензиаса и Уилсона было случайным, были и другие ученые, которые планировали организовать поиск CBR. Модель Большого взрыва не могла предсказать точную температуру CBR, но оценка диапазона температур была возможна. Измеренная температура была близка к нижнему концу диапазона. CBR реален, и его существование неоднократно подтверждалось. Поэтому отрицание его существования не является вариантом. Чрезвычайно гладкую форму спектра CBR трудно объяснить каким-либо другим способом. CBR повышает статус прогностической силы стандартной космологии. Это единственное предсказание теории.

Геометрия Вселенной

Прежде чем перейти к другим темам, следует рассмотреть несколько концепций о геометрии Вселенной. Пространство может быть ограниченным или несвязанным. Привязка относится к пространству, имеющему край или границу. В двумерном пространстве столешница связана, потому что она имеет определенную границу, край столешницы. С другой стороны, математическая плоскость была бы несвязанной, потому что она бесконечно простирается во всех направлениях и, следовательно, не имеет границ. Трудно представить себе, что наши три пространственных измерения связаны. Если бы у пространства была граница, то можно было бы задаться вопросом, какова была бы природа этой границы. Может быть, это какая-то стена, которая не позволит нам пересечь ее? Если так, то из чего будет сделана стена, и почему мы не можем ее пересечь? Будет ли другая сторона, и если да, то на что это будет похоже и может ли информация проходить через стену? Если бы эти вопросы имели какие-то реальные ответы, то, казалось бы, что другая сторона границы также является частью нашей Вселенной, поэтому стена на самом деле не является краем. С другой стороны, Вселенная без границ, казалось бы, простирается вечно и, таким образом, была бы бесконечной по размеру. Как бы ни была трудна концепция ограниченной Вселенной, Вселенная, не имеющая пространственного конца, едва ли легче для понимания человеческого разума.

Таким образом, мы, похоже, застряли в выборе между бесконечной и несвязанной Вселенной и Вселенной, которая конечна и ограничена. Есть ли способ преодолеть эту дилемму? Да. Напомним, что согласно общей теории относительности пространство может иметь некоторую общую кривизну. Возможно, что пространство может искривляться обратно на себя так, что оно не имеет границ, но оно конечно по размеру. Рассмотрим двумерный пример. Плоский, двумерный объект, такой как лист бумаги, обычно конечен по размеру и имеет границу. С другой стороны, поверхность Земли двумерна, но она выгибается обратно на себя. Поэтому поверхность Земли не имеет ни границы, ни края, но она конечна по размеру. Если вы путешествуете по прямой линии на поверхности Земли, вы в конечном итоге вернетесь к своей исходной точке. Подобным же образом, если Вселенная замкнута на себя, и если вы путешествуете по прямой линии, вы в конечном итоге вернетесь к своей исходной точке. Такая Вселенная была бы конечной по размеру и несвязанной, и таким образом мы могли бы избежать как бесконечной Вселенной, так и связанной Вселенной.


Автор: д-р Дэнни Р. Фолкнер

Дата публикации: 23 апреля 2013 года

Источник: Answers In Genesis


Перевод: Недоступ А.

Редактор: Недоступ А.


Ссылки:

1. Р. Э. Уолш, изд, Четвертая международная конференция по креационизму, П. В. Деннис (Питтсбург, Пенсильвания: Creation Science Fellowship, 1998), стр. 167-200.

2. Д. Р. Хамфрис, Создание и время (Green Forest, AR: Master Books, 1994).



Написать коментарий