Космос
Креацентр > Статті > Космос > Космологія двадцятого століття

Космологія двадцятого століття

Сучасна фізика

Протягом двох століть ньютоновська фізика мала безпрецедентні успіхи в історії науки, але до кінця 19-го століття кілька експериментів дали результати, які не очікувались. Ці результати не піддавалися поясненню за допомогою ньютонівської фізики, і ця невдача призвела на початку 20-го століття до того, що називається сучасною фізикою. Сучасна фізика має два важливих стовпи: квантову механіку й загальну теорію відносності. Квантова механіка — це фізика малих систем, таких як атоми й субатомні частинки. Загальна теорія відносності — це фізика дуже високих швидкостей, або великих концентрацій маси, або енергії. Обидві ці сфери виходять за рамки повсякденного досвіду, і тому квантово-механічні й релятивістські ефекти зазвичай не помітні. Іншими словами, ньютонівська механіка, яка є фізикою повсякденного досвіду, є приватним випадком сучасної фізики.

Деякі вчені-креаціоністи з підозрою ставляться, як до квантової механіки, так і до загальної теорії відносності. Частина підозр у квантовій механіці виникає через копенгагенську інтерпретацію, філософського погляду на квантову механіку (копенгагенська інтерпретація — тлумачення квантової механіки, яке сформулювали Нільс Бор і Вернер Гейзенберг під час спільної роботи в Копенгагені — прим. ред.). У квантовій механіці рішення, яке описує місце розташування, швидкість і інші властивості частинки, є хвильовою функцією. Хвильова функція являє собою функцію ймовірності. Там, де значення хвильової функції велике, існує висока ймовірність знаходження частинки, а там, де значення хвильової функції мале, існує мала ймовірність знаходження частинки. Цей результат досить легко зрозуміти, коли розглядається велика кількість частинок — там, де висока ймовірність, є велика ймовірність знайти більше частинок.

Однак як інтерпретувати результат при розгляді лише однієї частинки? Копенгагенська інтерпретація стверджує, що частинка існує у всіх можливих станах одночасно. Частинка існує в цьому дивному стані до того моменту, поки ніхто не спостерігає за часткою. При спостереженні ми говоримо, що хвильова функція колапсує і частка приймає якийсь певний стан. Якщо експеримент проводиться досить часто, то розподіл результатів експерименту відповідає прогнозам функції ймовірності, отриманої з хвильового рішення.

Це передбачає фундаментальну невизначеність щодо Всесвіту, яка суперечить християнському погляду на світ і Всезнаючого Бога. Всезнаючий Бог знає результат будь-якого експерименту, ідея, яка підтримується визначеним світом ньютонівської механіки. За допомогою ньютонівської механіки, якщо знати всі властивості, такі як місце розташування і швидкості частинок в один час, всі такі властивості частинок можуть бути однозначно визначені в будь який інший час. Ця здатність називається детермінізмом. Здавалося б, квантова механіка призводить до фундаментальної невизначеності, яку навіть Бог не може досліджувати. Невизначеність зазвичай є результатом незнання, тобто нам не вистачає вхідної інформації для розрахунку майбутніх станів системи. Проте невизначеність, введена квантовою механікою, не є невіглаством, і тому ми називаємо цю невизначеність фундаментальною. Під «фундаментальною невизначеністю» ми маємо на увазі, що навіть якщо б у нас була нескінченна точність всіх відповідних змінних, ми все одно не змогли б передбачити результат майбутніх експериментів. Можливі відповіді на це заперечення полягають у тому, що або копенгагенська інтерпретація невірна, або квантова механіка є неповною теорією. Філіп Деннис1 стверджував, що квантова механіка, ймовірно, є неповною теорією і що невизначеність не є проблемою для християнина.

Одне заперечення проти сучасної теорії відносності виходить з незаконного присвоєння цього терміна моральними релятивистами. Моральні релятивисти стверджують, що все відносно, і що загальна теорія відносності дала фізичний доказ цього. Загальна теорія відносності не говорить нічого подібного. Насправді, вона говорить прямо протилежне, що є певні абсолюти. Навіть якщо б це твердження було правдою, це хибний аргумент. Фізичні закони не мають відношення до моралі й етики. Ще одне застереження щодо відносності, яку висловлюють деякі креаціоністи, полягає в її передбачуваному тісному зв'язку з космогонією Великого вибуху. Міркування, мабуть, полягає в тому, що якщо Великий вибух не вірний, то і відносність не вірна. Але великий вибух — це лише один із можливих результатів теорії відносності. Космогонії, засновані на творінні, можуть бути створені за допомогою теорії відносності, як це було зроблено Руссом Хамфрісом.2

Ті, хто сумнівається в одному, або обох стовпах сучасної фізики, також висловлюють занепокоєння, відчуваючи, що вони просто кидають виклик «здоровому глузду». Однак у світі є багато речей, які кидають виклик здоровому глузду. Наприклад, автор цієї книги ніколи не перестає дивуватися третім законом руху Ньютона, згідно з яким, коли об'єкт має силу на інший об'єкт, другий об'єкт надає протилежну і рівну силу на перший об'єкт. Ми побачимо, що одним із питань загальної теорії відносності, є гравітаційна сила, яка передається через порожній простір. Ньютоновська фізика просто припускає, що сила миттєво й таємничо діє на великих відстанях. Це теж суперечить здоровому глузду. Важливе питання для будь-якої теорії є те, наскільки добре вона описує реальність.

Обидві теорії сучасної фізики були широко перевірені в експериментах і виявилися дуже надійними теоріями. Ці теорії були краще, ніж майже будь-які інші в історії науки. Тому надалі передбачається, що ці моделі є правильними, якщо не повними. Обидві теорії грають важливу роль в сучасній космології, але тільки відносність має значення в історичному розвитку сучасної космології, тому подальше обговорення квантової механіки буде відкладене до наступної статті.

У той час, як багато людей працювали на основі сучасної теорії відносності, Альберт Ейнштейн зазвичай отримує більшу частину почестей. Його спеціальна теорія відносності була опублікована в 1905 році, а потім його загальна теорія в 1916 році. Спеціальна теорія не такавже й складна для розуміння. Вона має справу з ситуаціями постійних швидкостей поблизу швидкості світла. Припустимо, що космічний корабель рухається зі швидкістю 60% швидкості світла до нерухомої людини. Тепер припустимо, що нерухома людина направила світло на рухомого астронавта. Можна було б подумати, що якби рухомий спостерігач виміряв швидкість світлового променя, то ця швидкість становила б 160% швидкості світла. Якщо б, з іншого боку, космічний корабель рушив, можна було б очікувати, що виміряна швидкість світла буде становити 40% від нормальної швидкості світла. Однак фактичний вимір показує, що швидкість світла є постійною незалежно від того, наскільки спостерігач може рухатися. Такий результат був отриманий в результаті знаменитого експерименту Майкельсона-Морлі в 1887 році. Цей факт був одним з перших експериментів, які показали неспроможність класичної ньютонівської механіки.

Схема експерименту Майкельсона-Морлі

Зображення надано Брайаном Міллером


Ейнштейн взяв інваріантність швидкості світла в якості постулату і досліджував наслідки. Він виявив, що поблизу швидкості світла час має сповільнюватися порівняно з часом, що вимірюється тим, хто не рухається. Довжина космічного апарата повинна зменшуватися із збільшенням швидкості, а маса тіла повинна збільшуватися із збільшенням швидкості. Ці ефекти відповідно називаються уповільненням часу, скороченням довжини й збільшенням маси, і всі вони були підтверджені в численних експериментах.До речі, спеціальна теорія відносності пророкує, що маса збільшується до нескінченності в міру наближення швидкості до швидкості світла. Таким чином, для досягнення швидкості світла буде потрібно нескінченна кількість енергії. Це неможливо, тому жодна частинка, що має масу, не може рухатися зі швидкістю світла.

 Загальна теорія відносності пов'язана з прискореним рухом на високих швидкостях. На жаль, вона вимагає використання складних математичних абстракцій, і тому її нелегко зрозуміти. Поки ми не будемо обговорювати будь-які математичні деталі, ми якісно опишемо те, що намагається зробити теорія.

 Як було сказано раніше, одне з питань, яке намагається пояснити загальна теорія відносності, полягає в тому, як гравітаційна сила передається через порожній простір. Сонце знаходиться на відстані 93 мільйони кілометрів від Землі, і все ж Земля якимось чином не тільки знає, як далеко знаходиться Сонце, а й в якому напрямку знаходиться Сонце та яка його маса. Вся ця інформація необхідна для визначення сили тяжіння. У ньютонівської теорії гравітаційна сила діє на відстані, не здогадуючись про те, як необхідна інформація або сила передається на відстань. Загальна теорія відносності відповідає на це питання, розглядаючи простір як реальну сутність, через яку інформація може передаватися подібно хвилі. Простір і час опрацьовуються подібним чином, так що простір можна розглядати як такий,що складається з чотирьох вимірювань, трьох з простору і одного з часу. Рівняння загальної теорії відносності говорять про те, як розглядати чотири виміри простору. Будь-які два виміри простору можуть бути представлені у вигляді ліній на графічному папері, але замість того, щоб бути плоскими, як графічний папір, простір викривлений. Математика викривленого простору подібна математики викривленого листа графічного паперу.

Що викликає викривлення простору? У великому масштабі це може бути властивість самого простору, але на локальному рівні кривизна є результатом присутності матерії чи енергії. Для викривлення простору потрібна велика кількість енергії або матерії. Велика маса, або енергія, викривить простір на більшу величину. Математичні вирази загальної теорії відносності описують величину кривизни, присутньої в результаті маси або енергії. Майте на увазі, що простір тут відноситься дочотиривимірного різноманіття, яке включає в себе час, тому ми повинні правильно назвати його простором-часом. Об'єкти переміщуються в просторі за прямими траєкторіями, званими геодезичними. Якщо простір-час, через який рухається об'єкт, плоский, то цей об'єкт буде здаватися нам таким, що рухається по прямій, або нерухомим. Якщо, з іншого боку, є багато матерії або енергії, так що простір-час викривлений, пряма траєкторія об'єкта через нього змусить об'єкт здаватися прискореним, коли ми його спостерігаємо.

Хоча гравітація все ще залишається загадковою силою, загальна теорія відносності усунула частину цієї таємниці й запропонувала більш фундаментальне пояснення, ніж ньютоновська теорія. Ньютон стверджував, що гравітація досягає великих відстаней через порожній простір без будь-якого пояснення, але загальна теорія відносності пропонує механізм того, як діє дія на відстані. Земля слідує за геодезичною лінією в просторі-часу. Якщо б не було Сонця, простір-час не вискривлявся б, і Земля здавалася б нам такою, що рухається по прямій лінії. Тобто Земля не буде прискорюватися. Однак велика маса Сонця робить вигин в просторі-часі, який передається назовні. У місці розташування Землі, вона рухається по геодезичній лінії у викривленому просторі-часі. Прямолінійний рух Землі через викривлений простір-час представляється нам прискоренням.

Ньютоновська фізика й загальна теорія відносності трактують простір і час абсолютно по-різному. У ньютонівській фізиці, простір — це не більш ніж фон, на якому маси рухаються в часі. Таким чином, простір, матерія й час — дуже різні речі. У загальній теорії відносності простір і час розглядаються дуже схоже, і обидва мають тісний зв'язок з матерією та енергією. У ньютонівській фізиці присутність матерії і енергії не впливає на простір і час в загальній теорії відносності. Це більше, ніж просто філософське розходження; це призводить до деяких визначених відмінностей у прогнозах, які можуть бути перевірені, як ми зараз обговоримо.

У той час, коли Ейнштейн представив свою теорію, люди зрозуміли, що майбутнє повне сонячне затьмарення дає прекрасну можливість перевірити загальну теорію відносності. Теорія передбачає, що коли світло проходить поблизу великої маси, промені світла повинні бути злегка відхилені до великої маси через гравітацію маси. Тому, якщо б загальна теорія відносності була істинною, зірки, що спостерігаються поблизу краю Сонця під час повного сонячного затемнення, повинні були б здаватися трохи ближче до Сонця, ніж якщо б загальна теорія відносності не була істинною. Під час повного сонячного затьмарення 1919 року була зроблена фотографія затьмаренного Сонця і ряду зірок поблизу краю Сонця. Положення зірок було ретельно виміряно й зіставлено з їх положенням на фотографії, зробленій півроку тому. Зрушення в положенні зірок відповідали пророкуванню загальної теорії відносності, і тому це було сприйнято як перше підтвердження теорії.

Існує дуже невелика, але активна меншість фізиків, які відкидають загальну теорію відносності. Вони заперечують проти цього експерименту на тій підставі, що помилки у вимірах дуже великі і могли б заглушити вимірюваний ефект. У цьому твердженні є певна законність. Релятивістський ефект дуже малий, а похибки вимірювань і поправки, зумовлені заломленням земної атмосфери, були досить великі. Якщо б це був кінець справи, то антирелятивісти мали б тут підставу для скарги. Але на цьому справа не скінчилася. Подібні експерименти були проведені під час численних затьмарень з 1919 року, кожен з поліпшенням точності й згоди з передбаченням загальної теорії відносності.

Крім того, з початку 1970-х років дуже довга базова інтерферометрія (verylongbaseinterferometry, VLBI) дозволила нам повторити експеримент з набагато більшою точністю. VLBI поєднує одночасні спостереження від широко відокремлених радіотелескопів для того щоб виміряти положення радіоджерел з безпрецедентною точністю. Віддалені точкові радіоджерела, що лежать на екліптиці (площини орбіти Землі навколо Сонця), мали свої положення в небі, виміряні з допомогою VLBI. Перебуваючи в орбітальній площині Землі, Сонце проходить ці об'єкти один раз у рік. Ми можемо перевиміряти положення точкових радіоджерел, коли це станеться. Відмінності у вимірах положень дають нам кількість зсувів, викликаних радіохвилями, що проходять поблизу краю Сонця. Точність виміряних зрушень у позиціях на порядки вище, ніж точність зрушень затьмарення 1919 року. Цей експеримент був повторений кілька разів, і в кожному випадку спостерігаються зрушення що дуже добре відповідають передбаченням загальної теорії відносності.

Ілюстрація показує Сонце та його гравітацію, спостерігача з Землі і різні видимі і фактичні положення зірки

Зображення надано Брайаном Міллером


Коли Ейнштейн застосував свої рівняння поля до Всесвіту, стало зрозуміло, що його теорія відчувала труднощі з поясненням Всесвіту в тому вигляді, як вона розумілася тоді. У попередній статті ми бачили, що Ньютон вірив, що Всесвіт вічний, але що його теорія гравітації змусила б Всесвіт давним-давно впасти на себе. Щоб уникнути цієї труднощі, Ньютон припустив, що Всесвіт нескінченний за розміром. Він розсудив, що тільки тоді вся матерія буде притягатися однаково в усіх напрямках, щоб створити статичний всесвіт. Статичний всесвіт — це всесвіт, в якому матерія не стискається і не розширюється. Але альтернативна теорія гравітації Ейнштейна, навіть зі зверненням до нескінченного всесвіту, зазнала невдачі. З допомогою загальної теорії відносності нескінченний всесвіт, в решті решт, колапсує сам на себе, що призводить до нескінченної щільності всюди. Очевидно, що це не так, тому Ейнштейн мав вирішити цю проблему.

Відповідь, яку вибрав Ейнштейн, полягає у тому, щоб увести в своє рішення те, що називається космологічною постійною. Космологічна постійна, позначається грецькою буквою лямбда (Λ), і діє як свого роду антигравітація. Це рівносильно терміну самовідштовхування, який має простір, але локально дуже слабкий. Однак на великих відстанях це слабке місце відштовхування буде накопичуватися, щоб стати важливим чинником у структурі Всесвіту. Точно налаштувавши Λ, щоб скасувати ефект гравітації, Ейнштейн зміг створити статичний всесвіт, оскільки більшість людей протягом деякого часу думали, що Всесвіт має бути таким. Якщо Λ не налаштована на урівноваження гравітації, то Всесвіт повинен або розширюватися, або стискатися.

Введення Λ незабаром зазнало критики, і Ейнштейн пізніше визнав, що це була найбільша помилка, яку він коли-небудь робив. Проте Ейнштейн був занадто суворий до себе в цьому питанні. Його рівняння поля — це диференціальні рівняння, тип математики, заснованої на численні, яке часто зустрічається у фізичному світі. Загальне рішення диференціального рівняння містить постійну. Диференціальні рівняння часто використовуються у фізиці, і відповідні константи звичайно визначаються початковими умовами задачі. Часто ці константи виявляються рівними нулю. Початкові умови Всесвіту визначають, що таке Λ, але ми не знаємо цих початкових умов. Спостереження за Всесвітом могли б сказати нам значення Λ, але це непросте завдання.Протягом десятиліть більшість даних припускали, що Λ дорівнює нулю, але припущення про те, що воно нульове, продовжують виникати. Якщо Λ не налаштована на урівноважування гравітації, то Всесвіт повинен або розширюватися, або стискатися.

Рання модель Великого вибуху

 Протягом двох років після публікації загальної теорії відносності Ейнштейна бельгійський священик на ім'я абат Леметр використовував її для створення першої моделі, яка передбачила прийняту в даний час космологічну модель — Великий вибух. Леметр назвав свою модель «космічним яйцем», що було досить спрощено за сучасними стандартами. Він припустив, що Всесвіт почався з усією її матерії і енергії, сконцентрованої в дуже гарячій сфері, яка розширилася і охолола у Всесвіті, який ми бачимо сьогодні. Можна було б запитати, звідки Леметр знав, що Всесвіт розширюється, а не стискається або статичний. Одна можливість полягає в тому, що він просто здогадався, за допомогою інтуїції, про певне і теїстичне походження Всесвіту в кінцевому минулому. Це усунуло б статичний всесвіт. Можливо, для нього було більш розумне, що Всесвіт починався з малого і розширювався, а не з великого, а потім стискався, тим самим усуваючи всесвіт, що стискається.

 Інша можливість полягає в тому, що Леметр, можливо, знав про роботу Весто Слайфера, астронома обсерваторії Лоуелла, всього кілька років тому. У 1913 році Слайфер показав, що багато з «туманностей» мають великі червоні зсуви, що вказують на швидкості багатьох сотень або навіть тисяч кілометрів в секунду від нас. Це було за десять років до підтвердження теорії острівного Всесвіту, тому ці «туманності» ще не були визнані зовнішніми галактиками. Як члени нашої галактики, великі червоні зсуви цих «туманностей» не мали сенсу, але якщо вони були зовнішніми галактиками, червоні зсуви мали прекрасний сенс у світлі пророцтв моделі Ейнштейна: Всесвіт розширюється.

 Після свого підтвердження ідеї острівного Всесвіту в 1924 році Хаббл, безумовно, зрозумів значення червоних зміщень інших галактик. Якщо це було свідченням розширення Всесвіту, повинен бути також зв'язок між величиною червоного зміщення та відстанню. Чому червоне зміщення і відстань пов'язані? Кожен, хто брав участь, або дивився 10-кілометрову гонку, може це побачити. Протягом десяти хвилин після початку гонки, бігуни будуть розтягнуті на значну відстань. Найшвидші бігуни будуть найбільш віддалені від стартової лінії, в той час як самі повільні бігуни будуть ближче до стартової лінії. Бігуни всіх проміжних швидкостей будуть розкидані між цими крайнощами. В результаті буде існувати пряма залежність між швидкістю і відстанню від стартової лінії.

Те ж саме можна сказати і про галактики. Ті галактики, які зараз найбільш далекі, будуть зроблені з матеріалу, який найбільш швидко віддалявся на початку існування Всесвіту, в той час як ті, які ближче всього зараз, зроблені з матеріалу, який спочатку рухався дуже повільно. Слід підкреслити, що ця проста аналогія, хоч і корисна для ілюстрації, має кілька недоліків. По-перше, гонка включає в себе тільки один просторовий вимір, в той час як розширення Всесвіту включає в себе три. Інша полягає в тому, що аналогія передбачає, що Всесвіт має центр і що Земля знаходиться поруч з ним. Більшість космологічних моделей сьогодні не мають центру. Нарешті, аналогія передбачає, що виміряні червоні зміщення є доплерівськими зрушеннями через рух у просторі. Це не так; доплерівське зрушення й червоні зсуви — дві дуже різні речі. Це розходження й відсутність центру Всесвіту буде обговорюватися далі.

У 1928 році Хаббл представив зв'язок між відстанню й червоним зміщенням. Ця залежність стала відома як закон Хаббла й може бути виражена як Z = H0D, де Z — червоне зміщення, D — відстань, а H0 — константа пропорційності, звана постійною Хаббла. Відстані зазвичай виражаються в мега парсеках (Мпк). Мпк становить мільйон парсеків, а пс — 3,26 світлових років, тому Мпк становить 3,26 мільйона світлових років. Світловий рік — це відстань, яку світло проходить за рік. Z може бути виражений в км/с, тому одиниці виміру H0 — це км/сек Мпк. H0 вимірює швидкість розширення Всесвіту, і його значення являє собою нахил лінії, що представляє графік червоного зсуву в залежності від відстані для великого числа галактик. Вимірювання червоного зсуву за допомогою спектроскопії є простим і однозначним, але знаходження відстані є складним завданням і піддається багатьом припущенням і потенційним помилкам. Спочатку Хаббл виявив, що H0 становить понад 500 км/сек Мпк, але до 1960-х років H0 був зменшений до трохи більше 50 км/сек Мпк. У 1990-х роках кілька досліджень запропонували збільшити H0 приблизно до 80 км/сек Мпк. Це більш ніж академічний інтерес, тому що це впливає на вік Всесвіту з Великого вибуху, який буде обговорюватися пізніше.

Космологічний принцип

Перш ніж рівняння загальної теорії відносності будуть застосовані до Всесвіту зазвичай робиться кілька припущень. Одне з припущень полягає в тому, що Всесвіт однорідний. Однорідність означає, що Всесвіт володіє однаковими властивостями у всьому. Звичайно, однорідність повинна включати універсальність фізичних законів, інакше наука була б неможлива. У космології однорідність зазвичай ставиться до появи та будови Всесвіту, а також до розподілу матерії. Якщо матерія у Всесвіті є грудкуватою, то рівняння загальної теорії відносності не можуть бути легко застосовані, тому це припущення в першу чергу грунтується на нашій здатності робити математику. На локальному рівні Всесвіт виглядає дуже незграбним. Наприклад, в зірках і планетах щільність матерії висока, але на великих просторах простору, між зірками і планетами, матерія майже не існує.

Це поширена проблема у фізиці — ми часто стикаємося з ситуаціями, коли залучена маса незграбна. Розглянемо газ. Ми знаємо, що він складається з безлічі крихітних частинок, які називають атомами, що розділені відстанями, більшими порівняно з розмірами атомів. Однак з допомогою макроскопічного підходу ми можемо розглядати газ так, як ніби він складається з деякої безперервної рідини. На макроскопічному рівні газ здається однорідним, і його грудкувата мікроскопічна природа може бути проігнорована. Так само передбачається, що в деякому великому масштабі Всесвіт однорідний, але в самому великому масштабі досі зондований (скупчення скупчень галактик) Всесвіт все ще здається грудкуватим. Якщо Всесвіт дійсно неоднорідний, то невідомо, який вплив це матиме на нашу космологію.

Інше поширене припущення полягає в тому, що Всесвіт ізотропний. Ізотропія означає, що Всесвіт має однаковий зовнішній вигляд, або властивості, в усіх напрямках. Це гарантує, що розширення однакове в усіх напрямках. Якби був чистий потік в одному напрямку, то Всесвіт не був би ізотропним. Є і інші способи, щоб Всесвіт не був ізотропним. Кілька років тому деякі астрономи виявили, що поляризація далеких радіоджерел змінюється в залежності від відстані, але також і від напрямку в небі. Поляризація — це термін, використовуваний для опису напрямку, в якому вібрують хвилі. Хвиля може вібрувати в будь-якому напрямку, перпендикулярному напрямку руху хвилі. Зазвичай електромагнітні хвилі коливаються в багатьох напрямках, але часто хвилі коливаються переважно в одному напрямку. Коли це відбувається, ми говоримо, що хвиля поляризована. Спостереження за поляризацією далеких радіоджерел у залежності від їх напрямків у просторі дозволили припустити, що Всесвіт принципово різний у різних напрямках, тобто він не ізотропний.

Припущення про однорідність і ізотропіюразом називається космологічним принципом. Космологічний принцип поряд з наглядом розширення Всесвіту зазвичай призводить до моделі Великого вибуху. Однак модель Великого вибуху — не єдина можлива модель Всесвіту, який розширюється, керована загальною теорією відносності. Модель Великого вибуху змушує визнати, що у Всесвіті був початок. Однак ця можливість багатьом вченим неприємна, як обговорювалося раніше, а також підтверджується эйнштейновським спотворенням значення Λ, щоб отримати статичний, вічний всесвіт.

Інша спроба створити вічний всесвіт починається з припущення про досконалий космологічний принцип. Досконалий космологічний принцип затверджує, що Всесвіт завжди був однорідним і ізотропним. Фраза «на всі часи» означає, що Всесвіт завжди був і завжди буде таким, як сьогодні. З цієї точки зору зірки й галактики постійно народжуються, старіють і вмирають, але Всесвіт залишається незмінним назавжди. Оскільки в цій моделі Всесвіт ніколи не змінюється, це називається стаціонарною теорією. Ви можете запитати: «Якщо Всесвіт розширюється, його середня щільність повинна зменшуватися, так як Всесвіт може залишатися незмінним згідно стаціонарної теорії?» Для того щоб стаціонарний всесвіт підтримував постійну щільність, матерія повинна виникати мимовільно. Інша назва стаціонарної теорії — теорія безперервного утвору. Деякі можуть заперечити, що це порушує закон збереження матерії, але закон збереження матерії — це просто твердження про те, як ми бачимо, як працює Всесвіт. Швидкість виробництва нової матерії на одиницю обсягу, необхідного для підтримки постійної щільності у Всесвіті, настільки мала, що вислизає від нашої уваги. Ті, хто підтримує стаціонарну теорію, стверджують, що закон збереження матерії є лише наближенням того, як Всесвіт дійсно працює.

За 20 років до 1965 року стаціонарна теорія користувалася великою підтримкою. Її привабливість виникала з уникнення початку і її безмежної простоти та краси. Колись це було так красиво, що це має бути правдою. Тим часом розроблялися деталі конкуруючої моделі Великого вибуху. Одним з найбільш сильних прихильників стаціонарної моделі, покійного сера Фреда Хойла, приписують назву іншої моделі, коли він в роздратуванні заявив: «Всесвіт не почався в якомусь Великому вибуху!» На жаль Хойла, назва застрягла, незважаючи на спроби знайти для цього кращу назву.

Можливі докази Великого вибуху

Було представлено кілька доказів проти стаціонарної теорії, але найбільш руйнівним було відкриття в 1964 році (опубліковане в 1965 році) космічного фонового випромінювання 3K (cosmic background radiation, CBR) Арно Пензіасом і Робертом Вілсоном. У 1978 році Пензіас і Вільсон отримали Нобелівську премію з фізики за свою роботу. Як дослідники в лабораторії Белла (Нью-Джерсі), вони розробляли технологію мікрохвильової передачі для зв'язку. Пензіас і Вілсон виявили фоновий шум, для якого вони не могли знайти джерело, і, здавалося, що він виходить з усіх боків. У 1948 році Джордж Гамов передбачив, що таке випромінювання повинно бути відмічено у всьому Всесвіті, але технології для виявлення в той час не існувало. До 1960-х років технологія дійсно існувала, і Роберт Дікке з Прінстонського університету планував будівництво обладнання для спостереження за CBR, коли йому сталося обговорити це питання з Робертом Вілсоном. Дікке закликав Пензіаса і Вілсона опублікувати свої висновки, а також супутню статтю Дікке, в якій пояснювалося значення знахідки.

Відповідно до моделі Великого вибуху, фотони в CBR прийшли з часу, коли Всесвіту було кілька сотень тисяч років і при температурі близько 3 000 K. У той час велика частина матерії у Всесвіті була б протонами й електронами, але температура та щільність були занадто високі для атомів водню, щоб утворитися. У цьому гарячому газі фотони були постійно зайняті й перевипроміненні так, щоб речовина й енергія були б у рівновазі, і випромінювання мало б спектр чорного тіла, яке було б функцією температури в той час. У міру розширення Всесвіту газ охолоджувався, а щільність зменшувалася до такої міри, що стабільний водень починав утворюватися й залишався нейонизованим у вигляді атомів. Цей час в історії Всесвіту називається століттям рекомбінації, хоча найкращою назвою може бути століття комбінації, так як атоми раніше не існували.

Згідно моделі, що після епохи рекомбінації матерія у Всесвіті перестала поглинати й перевипромінювати все випромінювання, і Всесвіт вперше став прозорим. До епохи рекомбінації матерія та енергія були пов'язані таким чином, що випромінювання не могло вийти з матерії. Оскільки світ так легко поглинався й перевипромінювався, середній вільний шлях фотонів був надзвичайно коротким. Після епохи рекомбінації середня довжина вільного пробігу фотона стала практично розміром Всесвіту, і енергії вперше вдалося вирватися з матерії. Ми говоримо, що матерія й енергія були роз'єднані. Фотони, вивільнені в епоху рекомбінації, подорожували з невеликою взаємодією в наступні 10-15 мільярдів років. Фотони зберегли спектр абсолютно чорного тіла, але всесвіт з епохи рекомбінації розширився в тисячу разів, так що спектр абсолютно чорного тіла змістився в тисячу разів. Червоне зміщення зменшило ефективну температуру чорного тіла з 3000 до 3 К.

Стаціонарна теорія не пророкує CBR, тому що в стаціонарної теорії Всесвіт завжди здавався таким самим, як і сьогодні, тому ніколи не було часу, коли Всесвіт мав температуру 3000 K. Деякі вчені вітали CBRяк одне з найбільших відкриттів в астрономії 20-го століття, тому що це усунуло стаціонарну теорію і «довело» теорію Великого вибуху. З середини 1960-х років модель Великого вибуху панувала як єдина життєздатна модель в оцінці більшості космологів, тому її охрестили «стандартною космологією». Це не означає, що всі противники стандартної космології здалися. Протягом багатьох років Хойл продовжував модифікувати стаціонарну теорію, щоб вона теж провіщала CBR, але він не домігся успіху. Хойл і деякі його колеги, такі як Джефф Бербідж і Холтон Арп, вказали на численні проблеми з теорією Великого вибуху.

Стандартна космологія була дуже надійною та якісною моделлю, про що свідчать багато технічно складних статей з цього питання, які публікуються кожен рік. На питання, звідки астрономи знають, що Великий вибух є правильним сценарієм походження Всесвіту зазвичай висуваються три докази. Одним із доказів є CBR, як тільки що обговорювалося. Два інших — це розширення Всесвіту і достаток легких елементів. Але наскільки гарні ці докази? Перш ніж відповісти на це питання, ми повинні трохи дослідити природу доказів і передбачень у науці.

Доказ і прогнозування 

Про наукову теорію судять по тому, наскільки добре вона пояснює дані. Дані можна розділити на класи: дані, вже наявні в наявності при розробці теорії і нові дані з експериментів, натхнених теорією. Вже наявні дані використовуються для керівництва побудовою теорії. Хороша теорія повинна бути здатна пояснити всі або, принаймні, більшість цих даних. Іншими словами, теорія повинна бути в змозі пояснити те, що ми вже знаємо. Якщо це так, то ми говоримо, що теорія має хорошу пояснювальну силу. Якщо теорія не володіє хорошою пояснювальною силою, то вона повинна бути змінена, або повинна бути замінена іншою теорією, яка робить це.

Після того, як теорія розроблена, вона може бути використана для отримання певних передбачень про результати експериментів. Коли експеримент виконується, передбачення теорії можна порівняти з даними експерименту. Якщо прогнози збігаються з даними, то ми говоримо, що теорію було «доведено», хоча доказ у цьому контексті дещо відрізняється від того, що мається на увазі в дедуктивному міркуванні, або навіть в повсякденному використанні. Кращим вибором слова було б сказати, що теорія «підтвердилася». Якщо передбачення теорії не відповідають даним, то теорія була спростована, і теорія повинна бути змінена, або замінена. Один дивний аспект науки полягає в тому, що, хоча ми можемо спростовувати теорії, бути повністю впевненим у тому, що будь-яка теорія абсолютно правильна, неможливо. Історія науки повна теорій, які колись користувалися доказом або підтвердженням тільки для того, щоб в остаточному підсумку бути спростованими. Ці приклади відкинутих теорій включають флогістонну теорію горіння, теорію теплороду тепла, і абіогенез.

Ми можемо сказати, що теорія має передбачувану силу, якщо її прогнози були перевірені експериментально. Багато теорій мають пояснювальну силу, але не мають передбачуваної сили. Особливо це стосується історичних наук. Велика частина передбачуваних доказів біологічної еволюції носять скоріше пояснювальний, ніж передбачуваний характер. Еволюція покликана пояснити те, що ми спостерігаємо, але важко уявити собі експерименти, які могли б чітко перевірити, що сталося у минулому. Те ж саме відноситься і до творення. У будь-якому випадку виникає питання про фальсифікації. Якщо не може бути проведений експеримент, який міг би спростувати теорію, то теорія не піддається фальсифікації. Для пояснення того чи іншого явища можна придумати скільки завгодно сценаріїв, але просте пояснення наявних фактів навряд чи може служити доказом. Хороша теорія повинна володіти як пояснювальною, так і передбачуванною силою.

Чи є ці три докази Великого вибуху пояснювальними або передбачуваними за своєю природою? Розширення Всесвіту виразно пояснювальне, а не передбачуване. Загальна теорія відносності припускала, що Всесвіт повинен розширюватися, або стискатися, але не могла передбачити, як саме. Той факт, що Всесвіт розширюється, може бути визначений лише наглядово. Набагато пізніше була розроблена модель Великого вибуху для пояснення того факту, що Всесвіт розширюється. Для пояснення розширення можна побудувати будь-яку кількість моделей. Стаціонарна модель була однією з таких спроб. Жодна космологія не передбачила розширення, але вони просто відповіли на цей факт, як на засіб пояснення.

Докази, що стосуються великої кількості легких елементів, більш тонкі, але це теж, мабуть, пояснює, а не пророкує. Тут мова йде про водень, дейтерій, рідкісний, більш важкий ізотоп водню, двох изотопах гелію (He3 і He4) та літію. Кожен з цих елементів був би зроблений в перші кілька хвилин Великого вибуху. Передбачається, що всі більш важкі елементи утворилися в зірках. Космологія Великого вибуху дійсно передбачає велику кількість легких елементів, але більшість людей не розуміють, що інформація про зміст елементів була введена у створення моделі. Для обмеження того, яка підмножина можливих моделей є життєздатною, вимагається знання про достатню кількість легких елементів. Насправді, невеликі зміни в нашому розумінні цих достатків дозволили космологам точно налаштувати свої моделі. Було б дуже дивно, якщо б модель «не передбачала» параметри, які були введені для теорії. Це показало б, що модель внутрішньо суперечлива.

Зображення надано НАСА

Зображення космічного фонового випромінювання (CBR)


CBR, схоже, є чистим передбачюванням моделі Великого вибуху. CBR вперше був передбачений майже за два десятиліття до його відкриття. Незважаючи на те, що відкриття Пензіаса та Вілсона було випадковим, були й інші вчені, які планували організувати пошук CBR. Модель Великого вибуху не могла передбачити точну температуру CBR, але оцінка діапазону температур була можлива. Виміряна температура була близькою до нижнього кінця діапазону. CBR реальний, і його існування неодноразово підтверджувалося. Тому заперечення його існування не є варіантом. Надзвичайно гладку форму спектру CBR важко пояснити якимось іншим способом. CBR підвищує статус прогностичної сили стандартної космології. Це єдине передбачення теорії.

Геометрія Всесвіту

Перш ніж перейти до інших тем, слід розглянути кілька концепцій про геометрію Всесвіту. Простір може бути обмеженим або непов'язаним. Прив'язка відноситься до простору, що має край або кордон. В двовимірному просторі стільниця пов'язана, тому що вона має певну межу, край стільниці. З іншого боку, математична площина була б незв'язаною, тому що вона нескінченно тягнеться у всіх напрямках і, отже, не має меж. Важко уявити собі, що наші три просторових вимірювання пов'язані. Якщо б у просторі була межа, то можна було б задатися питанням, яка була б природа цієї межі. Може бути, це якась стіна, яка не дозволить нам перетнути її? Якщо так, то з чого зроблена стіна, і чому ми не можемо її перетнути? Буде інша сторона, і якщо так, то на що це буде схоже і чи може інформація проходити через стіну? Якщо б ці питання мали якісь реальні відповіді, то, здавалося б, що інша сторона кордону також є частиною Всесвіту, тому стіна насправді не є краєм. З іншого боку, Всесвіт без меж, здавалося б, простягається вічно і, таким чином, був би нескінченним за розміром. Яка б не була важка концепція обмеженого Всесвіту, Всесвіт, не має просторового кінця, і це навряд чи легше для розуміння людського розуму.

Таким чином, ми, схоже, застрягли у виборі між нескінченним і незв'язаним Всесвітом і Всесвітом, який скінченний і обмежений. Чи є спосіб подолати цю дилему? Так. Нагадаємо, що відповідно до загальної теорії відносності простір може мати деяку загальну кривизну. Можливо, що простір може викривлятися назад на себе так, що він не має меж, але він звичайний за розміром. Розглянемо двовимірний приклад. Плоский, двовимірний об'єкт, такий, як аркуш паперу, зазвичай кінцевий за розміром і має кордон. З іншого боку, поверхня Землі двовимірна, але вона вигинається назад на себе. Тому поверхня Землі не має ні межі, ні краю, але вона скінченна за розміром. Якщо ви подорожуєте по прямій лінії на поверхні Землі, ви, в решті решт, повернетеся до своєї вихідної точки. Подібним же чином, якщо Всесвіт замкнутий на себе, і якщо ви подорожуєте по прямій лінії, ви, нарешті, повернетеся до своєї вихідної точки. Такий Всесвіт був би кінцевим за розміром і незв'язаним, і таким чином ми могли б уникнути, як нескінченного Всесвіту, так і пов'язаного Всесвіту.


Автор: д-р Денні Р. Фолкнер

Дата публікації: 23 квітня 2013 року

Джерело: Answers In Genesis


Переклад: Горячкіна Г.

Редактор: Недоступ А.


Посилання:

1. Р. Е. Уолш, вид, Четверта міжнародна конференція з креаціонізму, П. В. Денніс (Піттсбург, Пенсільванія: CreationScienceFellowship, 1998), стор 167-200.

2. Д. Р. Хамфріс, Створення та час (Green Forest, AR: Master Books, 1994).

Написати коментар