Космос
Креацентр > Статті > Космос > Проблеми з Великим вибухом

Проблеми з Великим вибухом

У цій статті ми розглянемо деякі труднощі, з якими стикаються сучасна космологія й Великий вибух.

Раніше ми бачили, що зазвичай наводяться три докази великого вибуху: CBR, розширення Всесвіту й велика кількість легких елементів. Стверджувалося, що перший доказ є чистим пророкуванням Великого вибуху, але що останні два ними не є, а замість цього більш точно описані, як пояснювальні по своїй природі. У цій статті ми розглянемо деякі труднощі, з якими стикаються сучасна космологія й Великий вибух.

Хэлтон Арп

З кінця 1960-х років одним з найбільш активних критиків стандартної космології був Хэлтон Арп. У двох науково-популярних книгах1 Арп виклав багато своїх заперечень. Велика частина його робіт стосується квазарів. Перші квазари були точковими радіоджерелами, ідентифікованими в 1961 році. Це були слабкі блакитні зірки з кількома непізнаними лініями випромінювання. У 1963 році Мартін Шмідт показав, що спектральні лінії в одній з цих «радіозірок» були лініями емісії водню, які зазвичай виявляються в ультрафіолетовій частині спектру. Щоб бути видимим у видимій частині спектру, спектральні лінії повинні бути зрушені на 17%. Це величезне червоне зміщення, яке означало, що якщо червоне зміщення було космологічним, об'єкт повинен був знаходитися на відстані більше мільярда світлових років. Спостережувана яскравість означала, що радіозірка повинна бути набагато яскравіше, ніж типова яскрава галактика.

Квазар в космосі

У той же час архівні вимірювання варіацій яскравості радіозірки протягом багатьох років показали, що світло нерегулярно змінювалося протягом усього лише декількох місяців. Це було витлумачене як таке, що розмір об'єкта не перевищував всього декількох світлових місяців (відстань, яку світло проходить за місяць). Це необхідно, тому що будь-яка зміна яскравості повинна бути викликана якимось механізмом. Повинен бути якийсь «перемикач», який говорить матеріалу в квазарі, щоб він став яскравішим, а потім слабшим. Сигнал повинен передавати цю інформацію. Для невеликого об'єкта такий сигнал може проходити по всьому об'єкту практично миттєво. Проте, для великого об'єкта буде деяка затримка в передачі цього сигналу. Тривалість часу поширення сигналу, а, отже, й період мінливості, обмежуються швидкістю сигналу й розміром об'єкта. Найшвидша відома швидкість поширення — це швидкість світла. Якщо для зміни яскравості об'єкта потрібен місяць, то його розмір може бути не більше світлового місяця. Це верхня межа — фактичний розмір, ймовірно, менше.

Простіше кажучи, ця радіозірка повинна бути надзвичайно яскравою й маленькою. Як може щось бути таким маленьким і в той самий час таким потужним? Було придумано нову назву — квазі-зірковий об'єкт (QSO), і ця назва, врешті решт, скоротилася до слова «квазар».

У наступні роки було виявлено набагато більше квазарів (в даний час відомо понад 20 000), і, природно, було зібрано набагато більше даних. Наприклад, перші квазари були радіо галасливими, тобто вони виділяли багато радіочастотної енергії у частині спектра. Проте, в даний час, відомо багато квазарів, які випускають мало, або взагалі не випромінюють радіо. Їх називають радіо тихими. Квазари були знайдені з різними червоними зміщеннями, але всі червоні зміщення квазара дуже високі. Припускаючи, що співвідношення Хаббла вірно, їхні високі червоні зміщення припускають, що квазари знаходяться на величезних відстанях. Багато квазарів, мабуть, мають нечітке світіння навколо них, яке астрономи вважають світлом галактик, в яких беруть QSO.

Виникла картина полягає в тому, що квазари є ядрами галактик. Дійсно, ядра багатьох галактик без супутніх квазарів виявляють квазароподібні властивості. Була розроблена теорія, що пояснює, як квазари можуть бути такими маленькими й, у той самий час, такими потужними. Ми думаємо, що квазар — це масивна чорна діра, яка містить мільйони сонячних мас матеріалу, який аккрецірує речовина з орбітального диску. Коли матеріал опускається в круту гравітаційну потенціальну яму чорної діри, вивільняється величезна кількість енергії. Подібні теорії були розроблені для пояснення декілька менш екзотичних процесів, що відбуваються в ядрах галактик. В останні роки спостереження, проведені за допомогою космічного телескопу Хаббла, показали переконливі докази наявності масивних чорних дір у сусідніх галактиках.

Підводячи підсумок, астрономи зазвичай думають, що квазари — це надзвичайно далекі, яскраві, маленькі об'єкти. Єдина відома нам теорія, яка може пояснити властивості квазарів полягає в тому, що вони приводяться в дію надмасивними чорними дірами. Арп поставив під сумнів всю цю картину квазарів. Він припустив, що червоні зміщення квазарів не є космологічними, і, отже, квазари не такі вже й далекі, і вони не такі вже внутрішньо яскраві. Якщо це правда, то немає великої таємниці в тому, що приводить в дію квазари. Арп робить не менше й не більше, ніж сумнівається в принципі, що червоні зміщення є космологічними. Як він це зробив? Він запропонував кілька ліній доказів, які ми зараз обговоримо.

Арп зробив фотографії декількох галактик, які, мабуть, взаємодіють з іншими галактиками, або з квазарами. Одним з найкращих прикладів є NGC 4319, який, мабуть, має світловий міст між собою й сусідньою галактикою. Арп стверджує, що світловий міст — це матеріал, який тече з однієї галактики в іншу. Для цього дві галактики повинні знаходитися приблизно на однаковій відстані від нас. Проте, коли вимірюються червоні зміщення двох галактик, вони дуже різняться, що передбачає (через співвідношення Хаббла), що дві галактики знаходяться на різних відстанях. Якщо це правда, то дві галактики не можуть взаємодіяти, як це пропонується на фотографіях. Як на це відреагували критики Арпа? Вони заперечують те, що міст який світиться — це артефакт або ілюзія. Питання дійсно зводиться до того, чи вірите ви в те, що говорять нам червоні зміщення, чи ви вірите в те, що зображення говорять нам?

Галактика NGC 4319 та квазар Markarian 205

Зображення надано НАСА

Одним із кращих прикладів галактичної взаємодії є NGC 4319, який, мабуть, має світловий міст між собою та Markarian 205.

Арп виявив інші галактики і/або квазари, які показують те, що здається зброєю матеріалу від одного об'єкта до іншого. В деяких випадках ці рукави зігнуті під особливими кутами, які припускають гравітаційну взаємодію між об'єктами. У кожному випадку об'єкти мають червоні зміщення, які радикально відрізняються, що означає, що об'єкти мають дуже різні відстані, якщо червоні зміщення є космологічними. Критики Арпа відповідають, що, хоча ці криві рукава матеріалу реальні, об'єкти, про які йде мова, є випадковими вирівнюваннями. Тобто два об'єкти, очевидно, взаємодіють, тому що вони лежать у такому ж напрямку, і один з об'єктів має своєрідний рукав, який, ймовірно, закінчується на іншому об'єкті. Арп запитує, яка ймовірність для таких випадкових вирівнювань? Ці ймовірності будуть коротко розглянуті в даний час.

Інша лінія доказів, яку переслідував Арп, — це розташування квазарів навколо сусідніх галактик. Він знайшов приклади сусідніх галактик, які мають згруповані навколо них квазари. Якщо квазари знаходяться на фантастичних відстанях, то вони повинні бути хаотично розподілені по небу з деякою середньою щільністю. У тих випадках, коли квазари згруповані навколо галактик, щільність квазарів в околиці галактик на порядки перевищує середню щільність квазарів. Арп приходить до висновку, що такі поліпшення щільності, які просто збігаються з галактиками переднього плану, вкрай малоймовірні.Він вважає більш розумним зробити висновок, що розглянуті квазари фізично пов'язані з галактикою, навколо якої вони злипаються, і тому не перебувають на великих відстанях.

 Зображення надано НАСА

 Зображення Хаббла зліва, зроблене за допомогою ширококутної планетарної камери 2, показує чудовий квазар, але мало що ще. Дифракційні піки показують, що квазар дійсно є точковим джерелом світла (як зірка), тому що «центральний двигун» чорної діри дуже компактний. Як тільки сліпучий «промінь фар» квазара блокується ACS (праворуч), в поле зору з'являється галактика-господар.

Одна справа — критикувати стандартну теорію, і зовсім інше — замінити це розуміння своїм власним. За оцінкою Apпа, як квазари фізично пов'язані з галактиками-господарями? Він вважає, що квазари були викинуті з галактик. Щоб підтримати це твердження, Apп знайшов приклади квазарів, які не тільки згруповані навколо галактики, але й розташовані уздовж лінії. У деяких випадках ця лінія збігається із струменем матеріалу, яка, очевидно, стріляє з галактики. Арп вважає, що квазари викидаються з великою швидкістю з галактик, але з якоїсь причини ми бачимо тільки ті, які віддаляються від нас.Можливо, все, що рухається до нас (імовірно, половина з них), якимось чином приховані.

 Критики Apпа відповіли, що незалежно від того, наскільки малоймовірними можуть бути ці вирівнювання, вони відбулися і, отже, мають ймовірність 1. Вони звинувачують Арпа в неправильній постановці питання. Вони кажуть, що він повинен був запитати ймовірність, перш ніж він знайшов дані, а не спочатку знайти дані, а потім запитати ймовірність. Це може здатися прискіпливим моментом, але є деяка обгрунтованість цієї критики. Щоб таке ймовірнісне питання мало сенс, воно повинно було бути сформульоване до його концепції.

 Інший приклад може проілюструвати це краще. Яка ймовірність того, що дрібна монета при підкиданні дасть «орел» десять разів поспіль? Це було б ½ в десятому ступені.Яка ймовірність того, що десятий кидок буде «орел», враховуючи, що попередні дев'ять були всі «орел»? Кожен, хто вивчав теорію ймовірності, швидко зрозуміє, що ймовірність равна½. Вірогідність одного кидка не залежить від попередніх кидків. Як і коли хтось формулює питання, має вирішальне значення при розрахунку ймовірностей. Незалежно від того, наскільки неймовірними можуть здатися вирівнювання Арпа, його критики наполягають на тому, що вони сталися, і тому їхня ймовірність дорівнює 1.

Ця лінія міркувань змішує історичні й наукові ймовірності. Історичні ймовірності дорівнюють або 1, або 0 — або сталося що небудь, або ні. Я використовую своє існування в якості прикладу. Моє існування — це не наукове питання; це — історичне питання. Я існую, так що ймовірність мого існування дорівнює 1. Ми можемо підійти до питання з науковим поглядом, про вірогідність того, що я з'явився випадково, і цей результат надзвичайно далекий. Наука обчислює ймовірності подій незалежно від того, коли проводиться розрахунок. Газети, історичні записи або інші свідчення очевидців говорять нам, чи дорівнює історична ймовірність 1 або 0.

Ми весь час використовуємо підхід Арпа, щоб виключити безліч появищ на таких підставах. У деяких кримінальних справах використовуються докази ДНК. Тестування ДНК не може однозначно ідентифікувати людину, як відбиток пальця. Замість цього він просто каже нам, наскільки добре ДНК відповідає підозрюваному й імовірність того, що вона буде відповідати іншій випадково вибраній людині. Припустимо, що в конкретному випадку ДНК збігається з ДНК підозрюваного, і нам кажуть, що збіг буде таким самим тільки в одному випадку з мільйона. На думку більшості людей, це було б досить переконливим доказом провини. Проте, якщо в місті, в якому стався злочин, проживає три мільйони людей, захист може стверджувати, що, ймовірно, є ще дві людини, які могли скоїти злочин. Звичайно, звинувачення вдасться до аргументу ймовірності, питаючи, наскільки ймовірно, що ДНК підозрюваного й справжнього злочинця так добре збігаються. Припускаючи невинність свого клієнта, адвокати захисту могли б стверджувати, що якою б малоймовірною не була наукова ймовірність, історична ймовірність дорівнює 1, тому що це сталося.

В якості іншого прикладу розглянемо відро з піском, кинуте на стіл. Кожен раз, коли ми скидаємо пісок окремі піщинки виявляються в різних місцях. Ми могли б висипати пісок на стіл мільярд разів, і пісок ніколи не падав би однаково двічі. Іншими словами, кожне скидання було б у рівній мірі неймовірним. Оскільки пісок з кожного скидання повинен закінчуватися в певному розташуванні, ми не дивуємося, коли пісок випадає певним чином. Хоча конкретний результат будь-якого окремого скидання вкрай малоймовірний, кожен з них відбувається в історичному сенсі, тому історична ймовірність того, що це сталося, дорівнює 1. Проте припустимо, що ви увійшли в кімнату, в якій, як я сказав вам, що тільки що висипали пісок на стіл. При огляді ви помічаєте, що деякі піщинки складають контур з декількох букв. Коли ви читаєте листи, ви виявляєте, що вони викладають преамбулу до Конституції Сполучених Штатів. Звичайно, ви ні на секунду не повірите, що це було результатом випадкового скидання піску, і ви звинуватите мене в тому, що це я насипав пісок таким чином. Проте я міг би протистояти цьому так само малоймовірно, як здається; це сталося, тому ймовірність дорівнює 1.

Перед лицем моєїзухвалої наполегливості в тому, що це відбулося, як ви могли б продовжити аргумент імовірності? Ви б визначили наукову вірогідність того, що пісок сам випадково склався в ці слова? Ви виявите, що ймовірність цього настільки мала, що фактично дорівнює 0. Ви б тоді знали, що в цьому історичному випадку ймовірність дорівнює 1, що пісок був упорядкований вручну, а не випадково скинутий. Критики, які заперечують проти аргументу ймовірності Арпа, плутають наукові та історичні ймовірності.

Арп продовжував свою роботу з деякими з найбільших телескопів у світі до 1986 року, коли група впливових астрономів, які виступали проти нього, змовилися відмовити йому в оренді більшого часу для використання телескопа. Вони ясно дали зрозуміти, що відтепер він може займатися більш традиційним дослідженням, але справу його життя закінчено цим обурливим вчинком, Арп достроково звільнився з Каліфорнійського технологічного інституту й отримав посаду в Німеччині. За оцінкою меншини астрономів, робота Арпа ніколи не була успішно спростована, але була просто заглушена критиками.

Арп поставив під сумнів припущення про те, чи є червоні зміщення космологічними — тобто, якщо відстань пов'язана з червоним зміщенням через ставлення Хаббла. Якщо Арп мислить вірно, то не так ясно, що Всесвіт розширюється. Якщо Всесвіт не розширюється, то Великий вибух не є життєздатною теорією, оскільки ця модель була розроблена для пояснення розширення. Арп дійсно відкидає Великий вибух, хоча він, мабуть, не відкидає розширення Всесвіту як таке. Замість цього Арп вважає, що, хоча червоне зміщення часто відображає відстань, воно не завжди це робить. Він вважає, що на потік Хаббла накладаються деякі великі доплерівські рухи.

Космологія Арпа — це варіант стаціонарного стану. У стаціонарній моделі квазари не можуть бути вилученими. Якщо всі квазари знаходяться далеко, то їхні великі відстані мають на увазі оглядку назад у часі. Це означає, що ми дивимося на квазари не так, як вони з'являються сьогодні, а так як вони виникли давним-давно. Той факт, що ми не бачимо квазарів поблизу, має означати, що вони більше не існують у Всесвіті сьогодні. Тому Всесвіт буде виглядати по-різному в різний час, що порушить досконалий космологічний принцип, основне припущення теорії стаціонарного стану. Про це ми поговоримо в наступній статті.

Ми повинні переформулювати важливий момент роботи Арпа. Якщо червоні зміщення не є космологічними в багатьох випадках, то слід сумніватися, чи є червоні зміщення космологічними в будь-якому випадку. Якщо червоні зміщення не є космологічними, то Всесвіт не розширюється, і теорія Великого вибуху неможлива.

Квантовані червоні зміщення

Починаючи з 1970-х років, астроном по імені Вільям Тиффт виявив, що червоні зміщення галактик не розподілені рівномірно й безперервно, а замість цього квантовані. У фізиці щось квантується, якщо вимірювання властивостей цієї речі приймають певні дискретні значення, але не значення між ними. Одна з основ квантової механіки, фізики малих систем, таких як атоми, полягає в тому, що енергія квантується. Тобто, енергія надходить в малих одиницях, а енергії між цими одиницями не існує. Тиффт виявив, що червоні зміщення, як правило, відбуваються в кратних 72 км/с. Пізніші дослідження виявили інші кратні.

Існує деяка омана на цей рахунок. Багато вчених помилково вважають, що квантування знаходиться в спостережуваних червоних зміщеннях. Але це не так. Червоні зміщення, які спостерігаються, повинні бути скориговані з урахуванням локальних рухів. Ми вже давно знаємо, що Сонце обертається в галактиці Чумацький Шлях зі швидкістю близько 250 км/с, і що Чумацький Шлях і місцева група галактик також рухаються. Коли ці поправки застосовуються, і будується гістограма червоних зміщень галактик, угруповання червоних зміщень зі швидкістю, кратною 72 км/сек, стає очевидною. Одне з відмінностей між квантованими червоними зміщеннями й квантуванням, яке відбувається в квантовомеханічних системах, полягає в тому, що квантування квантовомеханічних систем є абсолютним (немає ніяких винятків), в той час як у червоних зміщень галактики дійсно є винятки.Тобто, в той час як квантово-механічні частинки, такі як електрони, ніколи не спостерігаються падаючими між двома сусідніми квантами, червоні зміщення галактик часто падають між інтервалами 72 км/сек.

 Що означає квантування червоного зміщення для космології?

 Незрозуміло, що це означає. Хоча більшість космологів сумнівається в реальності квантування, ніхто не зміг його дискредитувати. На відміну від роботи Apпа, це не спирається на наукові аргументи ймовірності. Чому космологи так протистоять квантованим червоним зміщенням? Перш за все, тому що вони не можуть знайти для нього причини, і модель Великого вибуху не може її вмістити. Вся ця тема є досить новою й вимагає додаткового вивчення. Це може перерости в серйозну проблему для теорії Великого вибуху.

 З іншого боку, запропонована космологічна модель, заснована на творінні, не має проблем з квантовими червоними зміщеннями. Ця модель буде описана в наступній статті. Подібно до того, як квантовані енергетичні рівні були фундаментальними для створення квантової механіки, можливо, квантовані червоні зміщення будуть ключовими в пошуку нової космології.

Космічне фонове випромінювання

 Космічне фонове випромінювання (cosmicbackgroundradiation, CBR)

Раніше ми бачили, що CBR був хорошим прогнозом моделі Великого вибуху. У той же час властивості CBR можуть стати проблемою для Великого вибуху. Ранній Всесвіт повинен бути дуже гладким. В іншому випадку будь-яке незначне збільшення щільності діяло б як гравітаційне насіння для збору матерії, так що велику частину матерії у Всесвіті давно б засмоктало в чорні діри. З іншого боку, якби Всесвіт був абсолютно гладким, то не було б ніякого гравітаційного насіння для створення структури, яку ми бачимо. Всесвіт тонко збалансований між цими двома крайностями. До речі, це ще один аргумент на користь розвиненого антропного принципу.

 Галактика Чумацький Шлях у космосі

Зображення надано НАСА

Незначні збільшення щільності в ранньому Всесвіті, які нібито дозволили їхньої гравітації збирати матерію в галактики та інші структури, які ми бачимо сьогодні, називаються неоднорідностями. Виходячи з теорії Великого вибуху, космологам вдалося вирахувати, скільки неоднорідностей повинен був мати ранній Всесвіт, щоб зробити всесвіт, який ми бачимо сьогодні. Ця неоднорідність повинна була залишити свій відбиток на CBR. У 1980-х роках для вимірювання розрахункової неоднорідності був побудований космічний зонд COBE (Cosmic Background Explorer (COBE), також відомий як Explorer 66 — космічна обсерваторія, присвячена космологічним дослідженням — прим. ред.). Оскільки перші дані COBE були зібрані на початку 1990-х років, ми виявили, що CBR був абсолютно гладким. Тільки після двох років вивчення даних дуже потужним статистичним методом, дослідники COBE заявили, що знайшли потрібну неоднорідність. Це було сприйнято як підтвердження теорії Великого вибуху, але чи це так?

Супутник COBE

Зображення надано НАСА

Експеримент COBE був спеціально розроблений для пошуку очікуваної неоднорідності, але експеримент не зміг знайти її, як передбачалося. Це було викликано тим, що неоднорідність, про яку, в решті решт, заявляли, була на порядок нижче того, що було передбачене. Як можна підтвердити прогноз, коли він був відхилений на порядок? В результаті моделі Великого вибуху були уточнені, щоб врахувати більш низьку, ніж очікувалося, неоднорідність. Що було приховане в більшості звітів про це, так це те, що дані не повністю відповідали прогнозам, як це часто стверджується. Такого роду міркування занадто часто траплялися з моделлю Великого вибуху. Узгодженість теорії та вимірювань проголошується лише після того, як дані були використані для модифікації моделі для «прогнозування» вимірювань.

Залишається ще одне питання: чи була взагалі виявлена неоднорідність? Тільки після того, як до даних були застосовані дуже потужні статистичні методи, хтось заявив, що очікувані неоднорідності були знайдені. Ніхто не міг вказати на певний напрям у просторі й сказати, що це була область з вищою або нижчою, ніж середня, температурою. Проте, більшість вчених були переконані, що коливання температури дійсно були виявлені. Уявіть собі, що астроном показав вам сотні зірок на темному небі, а потім продовжив говорити вам, що у нього є майже 100% впевненість в тому, що три зірки не зірки, а насправді планети. Єдина проблема полягає в тому, що він не може вказати на якусь окрему зірку й вам сказати з повною впевненістю, що це насправді планета. Більшість людей вважали б таку пропозицію в кращому випадку дивним.

Різні труднощі з Великим вибухом

Модель Великого вибуху стала настільки загальноприйнятою, що мало хто помічав безліч настирливих труднощів чи усвідомлював численні способи, якими модель була модифікована, щоб впоратися з деякими з цих труднощів. Великий вибух залежить від космологічного принципу, але чи є космологічний принцип істинним? На локальному рівні галактики, очевидно, групуються у скупчення, але більшість космологів припустили, що у великих масштабах це скупчення зникає. Обширні дослідження розподілу галактик показали, що скупчення й довгі нитки галактик, мабуть, є нормою в найбільших масштабах, які були встановлені. Передбачається однорідність Всесвіту, але всі свідчення вказують на те, що Всесвіт не є однорідним. Або, іншими словами, немає ніяких доказів того, що Всесвіт дійсно однорідний. Що стосується ізотропії, то згадані раніше поляризаційні дослідження віддалених радіоджерел вказують на те, що у Всесвіті існує деяка фундаментальна анізотропія. Тому існує значний сумнів у істинності космологічного принципу, на якому базується модель Великого вибуху.

Експеримент COBE був розроблений для вимірювання варіацій в CBR, які були передбачені стандартною моделлю великого вибуху. COBE не вдалося виявити прогнозовані відхилення, але дослідження даних стверджували, що знайшли відхилення даних на рівні на порядок нижче, ніж передбачено моделлю. Чомусь це віталося як тріумф теорії Великого вибуху. Мало хто знає, що теорія Великого вибуху була реінжинірирувана, щоб відповідати даним. Хоча відкриття змін до CBR можна вважати якісною перемогою, це, безумовно, був кількісний провал.

Проблеми горизонту й площинності були описані в попередній статті. Інфляція була створена для пояснення цих та інших проблем. Інфляція не є загальновизнаною, вона страждає від деяких власних труднощів і зводиться до спекуляцій, оскільки в даний час її можна перевірити лише в малому ступені. Більшість людей, які підтримують теорію Великого вибуху, наполягають на тому, що інфляція й перерахунок Великого вибуху згідно з даними COBE — це просто уточнення моделі. Проте інші законно розглядають їх як спроби виправити помилкову теорію.


Автор: д-р Денні Р. Фолкнер

Дата публікації: 11 червня 2013 року

Джерело: Answers In Genesis


Переклад: Горячкіна Г.

Редактор: Недоступ А.


Посилання:

1. Арп, Квазари, червоні зміщення й суперечки (Berkeley, CA: Interstellar Media, 1987), і Бачачи червоне: червоні зміщення, космологія та академічна наука (Монреаль, Канада: C. Roy Keys, Inc., 2002)

Написати коментар