Mikä on vakaan tilan teoria kosmologiassa?

Vakaan tilan teoria oli teoria, jota ehdotettiin 1900-luvulla kosmologia selittää todisteita siitä, että maailmankaikkeus oli laajentumassa, mutta säilyttää kuitenkin ydinidean, jonka mukaan maailmankaikkeus näyttää aina samalta ja on siksi käytännössä muuttumaton eikä sillä ole alkua eikä loppua. Tämä ajatus on suurelta osin jätetty huomiotta tähtitieteellisten todisteiden perusteella, jotka viittaavat siihen, että maailmankaikkeus todellakin muuttuu ajan myötä.

Kun einstein loi hänen yleisen suhteellisuusteorian teoria, varhainen analyysi osoitti, että se loi universumin, joka oli epävakaa (laajenee tai supistuu) kuin staattisen maailmankaikkeuden, jonka aina oletettiin. Einstein piti myös tämän oletuksen staattisesta maailmankaikkeudesta, joten hän lisäsi termin yleiseen suhteellisuustekniikan kenttäyhtälöihinsä nimeltään kosmologinen vakio. Tämä palveli tarkoitusta pitää maailmankaikkeus staattisessa tilassa. Kuitenkin milloin Edwin Hubble löysi todisteita siitä, että kaukaiset galaksit olivat tosiasiassa laajentuneet pois maapallosta kaikkiin suuntiin, tutkijat (mukaan lukien Einstein) tajusivat, että maailmankaikkeus ei vaikuttanut olevan staattinen ja termi oli poistettu.

Vakaan tilan teoriaa ehdotti Sir James Jeans ensin 1920-luvulla, mutta se sai todella vauhtia vuonna 1948, kun se muotoili uudelleen Fred Hoyle, Thomas Goldja Hermann Bondi. On kyseenalaista tarinaa, jonka mukaan he keksivät teorian elokuvan "Dead of Night" katsottuaan elokuvan, joka päättyy tarkalleen kuten se alkoi.

Hoylestä tuli etenkin teorian merkittävä kannattaja, etenkin vastakohtana teoriaan iso bang teoria. Itse asiassa Hoyle loi brittiläisessä radiolähetyksessä termin "iso bang" jonkin verran räikeästi selittääkseen vastakkaista teoriaa.

Kirjassaan "Rinnakkaismaailmat", fyysikko Michio Kaku tarjoaa yhden kohtuullisen perusteen Hoylen omistautumiselle vakaan tilan malliin ja vastustukseen ison bang-mallin suhteen:

Yksi virhe [iso bang] -teoriassa oli se, että Hubble oli laskenut maailmankaikkeuden ikäksi 1,8 miljardia vuotta virheellisesti etäisten galaksien valon mittausvirheiden vuoksi. Geologit väittivät, että maa ja aurinkokunta olivat luultavasti useita miljardeja vuosia vanhoja. Kuinka maailmankaikkeus voisi olla nuorempi kuin planeetansa?

Heidän kirjassaan "Endless Universe: Beyond the Big Bang", kosmologit Paul J. Steinhardt ja Neil Turok ovat hieman vähemmän sympaattisia Hoylen kannalle ja motivaatioille:

Erityisesti Hoyle piti isoa iskua kauhistuttavana, koska hän oli kiihkeästi uskonnollinen ja hänen mielestään kosmologinen kuva oli hajanaisesti lähellä raamatullista keskustelua. Välttääkseen iskua hän ja hänen yhteistyökumppaninsa olivat halukkaita pohtimaan ajatusta, että aine ja säteily olivat jatkuvasti luotu koko maailmankaikkeudessa vain tavalla, joka pitää tiheyden ja lämpötilan vakiona kuin maailmankaikkeus laajenee. Tämä vakaan tilan kuva oli viimeinen kannattama muuttumattoman maailmankaikkeuden käsitteen kannattajia, aloittaen kolmen vuosikymmenen taistelun ison bang-mallin kannattajien kanssa.

Kuten nämä lainaukset osoittavat, vakaan tilan teorian päätavoite oli selittää maailmankaikkeuden laajeneminen tarvitsematta sanoa, että universumi kokonaisuutena näyttää erilaiselta eri ajankohtina. Jos maailmankaikkeus näyttää tietyllä ajankohtana periaatteessa samanlainen, alkua tai loppua ei tarvitse olettaa. Tätä kutsutaan yleisesti täydelliseksi kosmologiseksi periaatteeksi. Tärkein tapa, jolla Hoyle (ja muut) pystyivät säilyttämään tämän periaatteen, oli ehdottaa tilannetta, kun maailmankaikkeus laajeni, uusia hiukkasia luotiin. Jälleen Kaku:

Tässä mallissa osa maailmankaikkeudesta tosiasiallisesti laajeni, mutta uutta ainetta luotiin jatkuvasti tyhjästä, joten maailmankaikkeuden tiheys pysyi samana... Hoylelle näytti epäloogiselta, että tulinen kataklysma voi ilmetä tyhjästä lähettämään galakseja, jotka sattuvat kaikkiin suuntiin; hän piti parempana massan luomista tyhjästä. Toisin sanoen maailmankaikkeus oli ajaton. Sillä ei ollut loppua eikä alkua. Se vain oli.

Vakaan tilan teoriaa koskevat todisteet kasvoivat, kun havaittiin uusia tähtitieteellisiä todisteita. Esimerkiksi, etäisten galaksien tietyt piirteet (kuten kvasaarit ja radiogalakseja), joita ei nähty lähempissä galakseissa. Tämä on järkevää ison bang-teoriassa, jossa kaukana olevat galaksit edustavat "nuorempia" galakseja ja lähemmät galaksit ovat vanhempia, mutta vakaan tilan teorialla ei ole todellista tapaa ottaa tämä ero huomioon. Itse asiassa se on juuri sellainen ero, jonka teorian tarkoituksena oli välttää.

Vakaan tilan kosmologian lopullinen "naula arkussa" tuli kuitenkin kosmologisen mikroaaltosäteily, joka oli ennustettu osana ison bang-teoriaa, mutta jolla ei ollut mitään syytä olla olemassa vakaan tilan teoriassa.

Steven Weinberg kertoi vuonna 1972 vakaan tilan kosmologiaa vastustavista todisteista:

Erimielisyys on tunnustuksena mallille; yksin kaikkien kosmologioiden joukossa vakaan tilan malli antaa niin selvät ennusteet, että se voidaan kumota jopa käytettävissämme olevien rajoitettujen havaintoaineistojen perusteella.

Jotkut tutkijat, jotka tutkivat vakaan tilan teoriaa muodossa lähes vakaan tilan teoria. Sitä ei ole laajalti hyväksytty tutkijoiden keskuudessa, ja siihen on esitetty useita kritiikkiä, joita ei ole käsitelty riittävästi.

"Kulta, Thomas." Tieteellisen elämäkerran täydellinen sanakirja, Charles Scribnerin pojat, Encyclopedia.com, 2008.

Kaku, Michio. "Rinnakkaismaailmat: matka luomisen kautta, korkeammat ulottuvuudet ja kosmoksen tulevaisuus." 1. painos, Doubleday, 28. joulukuuta 2004.

Keim, Brandon. "Fyysikko Neil Turok: Iso räjähdys ei ollut alku." Langallinen, 19. helmikuuta 2008.

"Paul J. Steinhardt. "Fysiikan laitos, Princeton University, 2019, Princeton, New Jersey.

"Vakaan tilan teoria." Uusi maailman tietosanakirja, 21. lokakuuta 2015.

Steinhardt, Paul J. "Endless Universe: Big Bang: n ulkopuolella." Neil Turok, viides tai uudempi painos, Doubleday, 29. toukokuuta 2007.

Doc. "Fred Hoyle." Kuuluisat tutkijat, 2019.