Космос
Креацентр > Статьи > Космос > Проблемы с Большим взрывом

Проблемы с Большим взрывом

В этой статье мы рассмотрим некоторые трудности, с которыми сталкиваются современная космология и Большой взрыв.

Ранее мы видели, что обычно приводятся три доказательства большого взрыва: CBR, расширение Вселенной и обилие легких элементов. Утверждалось, что первое доказательство является чистым предсказанием Большого взрыва, но что последние два ими не являются, а вместо этого более точно описаны как объяснительные по своей природе. В этой статье мы рассмотрим некоторые трудности, с которыми сталкиваются современная космология и Большой взрыв.

Хэлтон Арп

С конца 1960-х годов одним из наиболее активных критиков стандартной космологии был Хэлтон Арп. В двух научно-популярных книгах1 Apп изложил многие из своих возражений. Большая часть его работ касается квазаров. Первые квазары были точечными радиоисточниками, идентифицированными в 1961 году. Это были слабые голубые звезд с несколькими неопознанными линиями излучения. В 1963 году Мартин Шмидт показал, что спектральные линии в одной из этих «радиозвезд» были линиями эмиссии водорода, обычно обнаруживаемыми в ультрафиолетовой части спектра. Чтобы быть видимым в видимой части спектра, спектральные линии должны быть сдвинуты на 17%. Это огромное красное смещение, которое означало, что если красное смещение было космологическим, объект должен был находиться на расстоянии более миллиарда световых лет. Наблюдаемая яркость означала, что радиозвезда должна быть намного ярче, чем типичная яркая галактика.

Квазар в космосе

В то же время архивные измерения вариаций яркости радиозвезды на протяжении многих лет показали, что свет нерегулярно менялся в течение всего лишь нескольких месяцев. Это было истолковано как означающее, что размер объекта не превышал всего нескольких световых месяцев (расстояние, которое свет проходит за месяц). Это необходимо, потому что любое изменение яркости должно быть вызвано каким-то механизмом. Должен быть какой-то «переключатель», который говорит материалу в квазаре, чтобы он стал ярче, а затем слабее. Сигнал должен передавать эту информацию. Для небольшого объекта такой сигнал может проходить по всему объекту практически мгновенно. Однако, для большого объекта будет некоторая задержка в передаче этого сигнала. Продолжительность времени распространения сигнала, а, следовательно, и период изменчивости, ограничиваются скоростью сигнала и размером объекта. Самая быстрая известная скорость распространения — это скорость света. Если для изменения яркости объекта требуется месяц, то его размер может быть не больше светового месяца. Это верхний предел — фактический размер, вероятно, меньше.

Проще говоря, эта радиозвезда должна быть чрезвычайно яркой и маленькой. Как может что-то быть таким маленьким и в то же время таким мощным? Было придумано новое название — квази-звездный объект (QSO), и это название в конечном итоге сократилось до слова «квазар».

В последующие годы было обнаружено гораздо больше квазаров (в настоящее время известно более 20 000), и, естественно, было собрано гораздо больше данных. Например, первые квазары были радио шумными, то есть они выделяли много энергии в радиочастотной части спектра. Однако в настоящее время известно много квазаров, которые испускают мало или вообще не излучают радио. Их называют радио тихими. Квазары были найдены с различными красными смещениями, но все красные смещения квазара очень высоки. Предполагая, что соотношение Хаббла верно, их высокие красные смещения предполагают, что квазары находятся на огромных расстояниях. Многие квазары, по-видимому, имеют нечеткое свечение вокруг них, которое астрономы считают светом галактик, в которых принимают QSO.

Возникшая картина заключается в том, что квазары являются ядрами галактик. Действительно, ядра многих галактик без сопутствующих квазаров проявляют квазароподобные свойства. Была разработана теория, объясняющая, как квазары могут быть такими маленькими и в то же время такими мощными. Мы думаем, что квазар — это массивная черная дыра, содержащая миллионы солнечных масс материала, который аккрецирует вещество с орбитального диска. Когда материал опускается в крутую гравитационную потенциальную яму черной дыры, высвобождается огромное количество энергии. Подобные теории были разработаны для объяснения несколько менее экзотических процессов, происходящих в ядрах галактик. В последние годы наблюдения, проведенные с помощью космического телескопа Хаббла, показали убедительные доказательства наличия массивных черных дыр в близлежащих галактиках.

Подводя итог, астрономы обычно думают, что квазары — это чрезвычайно далекие, яркие, маленькие объекты. Единственная известная нам теория, которая может объяснить свойства квазаров, заключается в том, что они приводятся в действие сверхмассивными черными дырами. Арп поставил под сомнение всю эту картину квазаров. Он предположил, что красные смещения квазаров не являются космологическими, и, следовательно, квазары не так уж далеки, и они не так уж внутренне ярки. Если это правда, то нет большой тайны в том, что приводит в действие квазары. Apп делает не меньше и не больше, чем сомневается в принципе, что красные смещения являются космологическими. Как он это сделал? Он предложил несколько линий доказательств, которые мы сейчас обсудим.

Apп сделал фотографии нескольких галактик, которые, по-видимому, взаимодействуют с другими галактиками или с квазарами. Одним из лучших примеров является NGC 4319, который, по-видимому, имеет световой мост между собой и соседней галактикой. Арп утверждает, что световой мост — это материал, который течет из одной галактики в другую. Для этого две галактики должны находиться примерно на одинаковом расстоянии от нас. Однако, когда измеряются красные смещения двух галактик, они очень различаются, что предполагает (через соотношение Хаббла), что две галактики находятся на совершенно разных расстояниях. Если это правда, то две галактики не могут взаимодействовать, как это предлагается на фотографиях. Как на это отреагировали критики Apпа? Они возражают тому, что светящийся мост — это артефакт или иллюзия. Вопрос действительно сводится к тому, верите ли вы в то, что говорят нам красные смещения, или вы верите в то, что изображения говорят нам?

Галактика NGC 4319 и квазар Markarian 205

Изображение предоставлено НАСА

Одним из лучших примеров галактического взаимодействия является NGC 4319, который, по-видимому, имеет световой мост между собой и Markarian 205.

Apп обнаружил другие галактики и / или квазары, которые показывают то, что кажется оружием материала от одного объекта к другому. В некоторых случаях эти рукава согнуты под особыми углами, которые предполагают гравитационное взаимодействие между объектами. В каждом случае объекты имеют радикально отличающиеся красные смещения, что означает, что объекты имеют очень разные расстояния, если красные смещения являются космологическими. Критики Apпа отвечают, что, хотя эти кривые рукава материала реальны, объекты, о которых идет речь, являются случайными выравниваниями. То есть два объекта, по-видимому, взаимодействуют, потому что они лежат в точно таком же направлении, и один из объектов имеет своеобразный рукав, который, вероятно, заканчивается на другом объекте. Aрп спрашивает, какова вероятность для таких случайных выравниваний? Эти вероятности будут кратко рассмотрены в настоящее время.

Другая линия доказательств, которую преследовал Apп, — это расположение квазаров вокруг близлежащих галактик. Он нашел примеры соседних галактик, которые имеют сгруппированные вокруг них квазары. Если квазары находятся на фантастических расстояниях, то они должны быть хаотично распределены по небу с некоторой средней плотностью. В тех случаях, когда квазары сгруппированы вокруг галактик, плотность квазаров в окрестности галактик превышает на порядки среднюю плотность квазаров. Apп приходит к выводу, что такие улучшения плотности, которые просто совпадают с галактиками переднего плана, крайне маловероятны. Он считает более разумным заключить, что рассматриваемые квазары физически связаны с галактикой, вокруг которой они слипаются, и поэтому не находятся на огромных расстояниях.

Изображение предоставлено НАСА

Изображение Хаббла слева, сделанное с помощью широкоугольной планетарной камеры 2, показывает великолепный квазар, но мало что еще. Дифракционные пики показывают, что квазар действительно является точечным источником света (как звезда), потому что «центральный двигатель» черной дыры очень компактен. Как только ослепляющий «луч фар» квазара блокируется ACS (справа), в поле зрения появляется галактика-хозяин.

Одно дело — критиковать стандартную теорию, и совсем другое — заменить это понимание своим собственным. По оценке Apпа, как квазары физически связаны с галактиками-хозяевами? Он считает, что квазары были выброшены из галактик. Чтобы поддержать это утверждение, Apп нашел примеры квазаров, которые не только сгруппированы вокруг галактики, но и расположены вдоль линии. В некоторых случаях эта линия совпадает со струей материала, которая, очевидно, стреляет из галактики. Арп считает, что квазары выбрасываются с большой скоростью из галактик, но по какой-то причине мы видим только те, которые удаляются от нас. Возможно, все, что движется к нам (предположительно, половина из них), каким-то образом скрыты.

Критики Apпа ответили, что независимо от того, насколько маловероятными могут быть эти выравнивания, они произошли и, следовательно, имеют вероятность 1. Они обвиняют Арпа в неправильной постановке вопроса. Они говорят, что он должен был спросить вероятность, прежде чем он нашел данные, а не сначала найти данные, а затем спросить вероятность. Это может показаться придирчивым моментом, но есть некоторая обоснованность этой критики. Чтобы такой вероятностный вопрос имел смысл, он должен был быть сформулирован до его концепции.

Другой пример может проиллюстрировать это лучше. Какова вероятность того, что мелкая монета при подбрасывании даст «орел» десять раз подряд? Это было бы ½ в десятой степени. Какова вероятность того, что десятый бросок будет «орел», учитывая, что предыдущие девять были все «орел»? Любой, кто изучал теорию вероятности, быстро поймет, что вероятность равна½. Вероятность одного броска не зависит от предыдущих бросков. Как и когда кто-то формулирует вопрос, имеет решающее значение при расчете вероятностей. Независимо от того, насколько невероятными могут показаться выравнивания Apпа, его критики настаивают на том, что они произошли, и поэтому их вероятность равна 1.

Эта линия рассуждений смешивает исторические и научные вероятности. Исторические вероятности равны либо 1, либо 0 —либо что-то произошло, либо нет. Я использую свое существование в качестве примера. Мое существование — это не научный вопрос; это — исторический вопрос. Я существую, так что вероятность моего существования равна 1. Мы можем с научной точки зрения подойти к вопросу о вероятности того, что я появился случайно, и этот результат чрезвычайно далек. Наука вычисляет вероятности событий независимо от того, когда производится расчет. Газеты, исторические записи или другие свидетельства очевидцев говорят нам, равна ли историческая вероятность 1 или 0.

Мы все время используем подход Apпа, чтобы исключить множество объяснения явлений на таких основаниях. В некоторых уголовных делах используются доказательства ДНК. Тестирование ДНК не может однозначно идентифицировать человека, как отпечаток пальца. Вместо этого оно просто говорит нам, насколько хорошо ДНК соответствует подозреваемому и вероятность того, что она будет соответствовать другому случайно выбранному человеку. Предположим, что в конкретном случае ДНК совпадает с ДНК подозреваемого, и нам говорят, что совпадение будет таким же только в одном случае из миллиона. По мнению большинства людей, это было бы довольно убедительным доказательством вины. Однако, если в городе, в котором произошло преступление, проживает три миллиона человек, защита может утверждать, что, вероятно, есть еще два человека, которые могли совершить преступление. Конечно, обвинение прибегнет к аргументу вероятности, спрашивая, насколько вероятно, что ДНК подозреваемого и истинного преступника так хорошо совпадают. Предполагая невиновность своего клиента, адвокаты защиты могли бы утверждать, что как бы маловероятна ни была научная вероятность, историческая вероятность равна 1, потому что это произошло.

В качестве другого примера рассмотрим ведро с песком, брошенное на стол. Каждый раз, когда мы сбрасываем песок отдельные песчинки оказываются в разных местах. Мы могли бы высыпать песок на стол миллиард раз, и песок никогда не падал бы одинаково дважды. Другими словами, каждый сброс был бы в равной степени невероятным. Поскольку песок из каждого сброса должен заканчиваться в некотором расположении, мы не удивляемся, когда песок выпадает определенным образом. Хотя конкретный результат любого отдельного сброса крайне маловероятен, каждый из них происходит в историческом смысле, поэтому историческая вероятность того, что это произошло, равна 1. Однако предположим, что вы вошли в комнату, в которой, как я сказал вам, что только что высыпали песок на стол. При осмотре вы замечаете, что некоторые песчинки составляют контур из нескольких букв. Когда вы читаете письма, вы обнаруживаете, что они излагают преамбулу к Конституции Соединенных Штатов. Конечно, вы ни на секунду не поверите, что это было результатом случайного сброса песка, и вы обвините меня в том, что это я насыпал песок таким образом. Однако я мог бы противостоять этому так же маловероятно, как кажется; это произошло, поэтому вероятность равна 1.

Перед лицом моей вызывающей настойчивости в том, что это произошло, как вы могли бы продолжить аргумент вероятности? Вы бы вычислили научную вероятность того, что песок сам случайно сложился в эти слова. Вы обнаружите, что вероятность этого настолько мала, что фактически равна 0. Вы бы тогда знали, что в этом историческом случае вероятность равна 1, что песок был упорядочен вручную, а не случайно сброшен. Критики, которые возражают против аргумента вероятности Apпа, путают научные и исторические вероятности.

Арп продолжал свою работу с некоторыми из крупнейших телескопов в мире до 1986 года, когда группа влиятельных астрономов, которые выступали против него, сговорились отказать ему в аренде большего времени для использования телескопа. Они ясно дали понять, что отныне он может заниматься более традиционными исследованиями, но дело его жизни закончено. Раздраженный этим возмутительным поступком, Арп досрочно уволился из Калифорнийского технологического института и получил должность в Германии. По оценке меньшинства астрономов, работа Арпа никогда не была успешно опровергнута, но была просто заглушена критиками.

Apп поставил под сомнение предположение о том, являются ли красные смещения космологическими — то есть, если расстояние связано с красным смещением через отношение Хаббла. Если Apп мыслит верно, то не так ясно, что Вселенная расширяется. Если Вселенная не расширяется, то Большой взрыв не является жизнеспособной теорией, поскольку эта модель была разработана для объяснения расширения. Арп действительно отвергает Большой взрыв, хотя он, по-видимому, не отвергает расширение Вселенной как таковое. Вместо этого Apп считает, что, хотя красное смещение часто отражает расстояние, оно не всегда это делает. Он считает, что на поток Хаббла накладываются некоторые большие доплеровские движения.

Космология Apпа — это вариант стационарного состояния. В стационарной модели квазары не могут быть удаленными. Если все квазары находятся далеко, то их большие расстояния подразумевают оглядку назад во времени. Это означает, что мы смотрим на квазары не так, как они появляются сегодня, а как они появились давным-давно. Тот факт, что мы не видим квазаров поблизости, должен означать, что они больше не существуют во Вселенной сегодня. Поэтому Вселенная будет выглядеть по-разному в разное время, что нарушит совершенный космологический принцип, основное предположение теории стационарного состояния. Об этом мы поговорим в следующей статье.

Мы должны переформулировать важный момент работы Арпа. Если красные смещения не являются космологическими во многих случаях, то следует сомневаться, являются ли красные смещения космологическими в любом случае. Если красные смещения не являются космологическими, то Вселенная не расширяется, и теория Большого взрыва невозможна.

Квантованные красные смещения

Начиная с 1970-х годов, астроном по имени Уильям Тиффт обнаружил, что красные смещения галактик не распределены равномерно и непрерывно, а вместо этого квантованы. В физике что-то квантуется, если измерения свойств этой вещи принимают определенные дискретные значения, но не значения между ними. Одна из основ квантовой механики, физики малых систем, таких как атомы, заключается в том, что энергия квантуется. То есть, энергия поступает в малых единицах, а энергии между этими единицами не существует. Tиффт обнаружил, что красные смещения, как правило, происходят в кратных 72 км/сек. Более поздние исследования обнаружили другие кратные.

Существует некоторое заблуждение на этот счет. Многие ученые ошибочно полагают, что квантование находится в наблюдаемых красных смещениях. Но это не так. Наблюдаемые красные смещения должны быть скорректированы с учетом локальных движений. Мы уже давно знаем, что Солнце вращается в галактике Млечный Путь со скоростью около 250 км/сек, и что Млечный Путь и местная группа галактик также движутся. Когда эти поправки применяются, и строится гистограмма красных смещений галактик, группировка красных смещений со скоростью, кратной 72 км/сек, становится очевидной. Одно из различий между квантованными красными смещениями и квантованием, которое происходит в квантово-механических системах, заключается в том, что квантование квантово-механических систем является абсолютным (нет никаких исключений), в то время как у красных смещений галактики действительно есть исключения. То есть, в то время как квантово-механические частицы, такие как электроны, никогда не наблюдаются падающими между двумя соседними квантами, красные смещения галактик часто падают между интервалами 72 км/сек.

Что означает квантование красного смещения для космологии? Непонятно, что это значит. Хотя большинство космологов сомневается в реальности квантования, никто не смог его дискредитировать. В отличие от работы Apпа, это не опирается на научные аргументы вероятности. Почему космологи так противятся квантованному красному смещению? Прежде всего, потому что они не могут найти для него причины, и модель Большого взрыва не может ее вместить. Вся эта тема является довольно новой и требует дополнительного изучения. Это может перерасти в серьезную проблему для теории Большого взрыва.

С другой стороны, предложенная космологическая модель, основанная на творении, не имеет проблем с квантованными красными смещениями. Эта модель будет описана в следующей статье. Подобно тому, как квантованные энергетические уровни были фундаментальными для создания квантовой механики, возможно, квантованные красные смещения будут ключевыми в поиске новой космологии.

Космическое фоновое излучение 

Космическое фоновое излучение (cosmic background radiation, CBR)

 Ранее мы видели, что CBR был хорошим прогнозом модели Большого взрыва. В то же время свойства CBR могут стать проблемой для Большого взрыва. Ранняя Вселенная должна быть очень гладкой. В противном случае любое незначительное увеличение плотности действовало бы как гравитационные семена для сбора материи, так что большая часть материи во вселенной давно была бы засосана в черные дыры. С другой стороны, если бы Вселенная была абсолютно гладкой, то не было бы никаких гравитационных семян для создания структуры, которую мы видим. Вселенная тонко сбалансирована между этими двумя крайностями. Кстати, это еще один довод в пользу развитого антропного принципа.

Галактика Млечный Путь в космосе

Изображение предоставлено НАСА

Незначительные увеличения плотности в ранней Вселенной, которые якобы позволили их гравитации собирать материю в галактики и другие структуры, которые мы видим сегодня, называются неоднородностями. Исходя из теории Большого взрыва, космологам удалось вычислить, сколько неоднородностей должна была иметь ранняя Вселенная, чтобы произвести вселенную, которую мы видим сегодня. Эта неоднородность должна была оставить свой отпечаток на CBR. В 1980-х годах для измерения расчетной неоднородности был построен космический зонд COBE (Cosmic Background Explorer (COBE), также известный как Explorer 66 — космическая обсерватория, посвящённая космологическим исследованиям — прим. ред.). Поскольку первые данные COBE были собраны в начале 1990-х годов, мы обнаружили, что CBR был совершенно гладким. Только после двух лет изучения данных очень мощным статистическим методом, исследователи COBE заявили, что нашли искомую неоднородность. Это было воспринято как подтверждение теории Большого взрыва, но так ли это?

Спутник COBE

Изображение предоставлено НАСА

Эксперимент COBE был специально разработан для поиска ожидаемой неоднородности, но эксперимент не смог найти ее, как предполагалось. Это было вызвано тем, что неоднородность, о которой, в конечном счете, заявляли, была на порядок ниже того, что было предсказано. Как можно подтвердить прогноз, когда он был отклонен на порядок? В результате модели Большого взрыва были уточнены, чтобы учесть более низкую, чем ожидалось, неоднородность. Что было скрыто в большинстве отчетов об этом, так это то, что данные не полностью соответствовали прогнозам, как это часто утверждается. Такого рода рассуждения слишком часто случались с моделью Большого взрыва. Согласованность теории и измерений провозглашается только после того, как данные были использованы для модификации модели для «прогнозирования» измерений.

Остается еще один вопрос: была ли вообще обнаружена неоднородность? Только после того, как к данным были применены очень мощные статистические методы, кто-то заявил, что ожидаемые неоднородности были найдены. Никто не мог указать на определенное направление в пространстве и сказать, что это была область с более высокой или более низкой, чем средняя, температурой. Тем не менее, большинство ученых были убеждены, что колебания температуры действительно были обнаружены. Представьте себе, что астроном показал вам сотни звезд на темном небе, а затем продолжил говорить вам, что у него есть почти 100% уверенность в том, что три звезды не звезды, а на самом деле планеты. Единственная проблема заключается в том, что он не может указать на какую-либо отдельную звезду и сказать вам с полной уверенностью, что это на самом деле планета. Большинство людей сочли бы такое предложение в лучшем случае странным.

Разные трудности с Большим взрывом

Модель Большого взрыва стала настолько общепринятой, что мало кто замечал множество назойливых трудностей или осознавал многочисленные способы, которыми модель была модифицирована, чтобы справиться с некоторыми из этих трудностей. Большой взрыв зависит от космологического принципа, но является ли космологический принцип истинным? На локальном уровне галактики, очевидно, группируются в скопления, но большинство космологов предположили, что в больших масштабах это скопление исчезает. Обширные исследования распределения галактик показали, что скопления и длинные нити галактик, по-видимому, являются нормой в самых больших масштабах, которые были установлены. Предполагается однородность Вселенной, но все свидетельства указывают на то, что Вселенная не является однородной. Или, другими словами, нет никаких доказательств того, что Вселенная действительно однородна. Что касается изотропии, то упомянутые ранее поляризационные исследования удаленных радиоисточников указывают на то, что во Вселенной существует некоторая фундаментальная анизотропия. Поэтому существует значительное сомнение в истинности космологического принципа, на котором основана модель Большого взрыва.

Эксперимент COBE был разработан для измерения вариаций в CBR, которые были предсказаны стандартной моделью большого взрыва. COBE не удалось обнаружить прогнозируемые отклонения, но исследования данных утверждали, что нашли отклонения в данных на уровне на порядок ниже, чем предсказано моделью. Почему-то это приветствовалось как триумф теории Большого взрыва. Мало кто знает, что теория Большого взрыва была реинжинирирована, чтобы соответствовать данным. Хотя открытие изменений в CBR можно считать качественной победой, это, безусловно, был количественный провал.

Проблемы горизонта и плоскостности были описаны в предыдущей статье. Инфляция была создана для объяснения этих и других проблем. Инфляция не является общепризнанной, она страдает от некоторых собственных трудностей и сводится к спекуляциям, поскольку в настоящее время ее можно проверить лишь в малой степени. Большинство людей, которые поддерживают теорию Большого взрыва, настаивают на том, что инфляция и пересчет Большого взрыва в соответствии с данными COBE — это просто уточнения в модели. Однако другие законно рассматривают их как попытки исправить ошибочную теорию.


Автор: д-р Дэнни Р. Фолкнер

Дата публикации: 11 июня 2013 года

Источник: Answers In Genesis


Перевод: Недоступ А.

Редактор: Недоступ А.


Ссылки:

1. Apп, Квазары, красные смещения и споры (Berkeley, CA: Interstellar Media, 1987), и Видя красное: красные смещения, космология и академическая наука (Монреаль, Канада: C. Roy Keys, Inc., 2002)


Написать коментарий