Теория квазистационарной Вселенной

Теория квазистационарной Вселенной (также известная как теория стационарного состояния, от англ. steady-state theory) — это космологическая модель, предполагающая, что Вселенная в крупных масштабах не имеет ни начала, ни конца во времени, а её средняя плотность и крупномасштабная структура остаются неизменными, несмотря на расширение. В отличие от теории Большого взрыва, данная модель постулирует непрерывное рождение материи для компенсации разрежения, вызванного расширением пространства.

История

Предпосылки возникновения

В начале XX века, после открытия Эдвином Хабблом в 1929 году закона красного смещения (закон Хаббла), стало очевидно, что галактики удаляются друг от друга, и Вселенная расширяется. Однако интерпретация этого расширения оставалась предметом дискуссий. Классическая модель Фридмана — Леметра (основа теории Большого взрыва) предполагала, что расширение началось из сингулярного состояния конечной плотности. Альтернативой стала идея вечной и самоподдерживающейся Вселенной, не требующей момента творения.

Создание теории

Теория квазистационарной Вселенной была разработана в 1948 году британскими астрофизиками Германом Бонди, Томасом Голдом и Фредом Хойлом. Основные положения были опубликованы в двух статьях: Бонди и Голд представили философско-физическое обоснование, а Хойл — математическую модель, основанную на модификации уравнений общей теории относительности (введении поля C-поля, или поля творения).

Популярность и критика

В 1950-х — 1960-х годах теория пользовалась определённой популярностью, так как позволяла избежать проблемы «начала времени» и соответствовала принципу совершенного космологического принципа (Вселенная однородна и изотропна не только в пространстве, но и во времени). Однако с накоплением наблюдательных данных, особенно с открытием реликтового излучения в 1965 году (Арно Пензиас и Роберт Уилсон), которое предсказывалось теорией Большого взрыва, но не могло быть объяснено в рамках стационарной модели без дополнительных допущений, теория начала утрачивать позиции. К 1970-м годам большинство космологов приняли модель Большого взрыва.

Современное состояние

В конце XX — начале XXI века предпринимались попытки возродить идеи квазистационарной Вселенной в модифицированном виде (например, модель «плазма-космология» Ханнеса Альвена или «теория стационарного состояния с циклическими процессами»). Однако подавляющее большинство астрофизиков считает теорию квазистационарной Вселенной опровергнутой, а стандартной моделью признаётся ΛCDM (лямбда-CDM), основанная на теории Большого взрыва.

Основные положения

Совершенный космологический принцип

Центральная идея теории — совершенный космологический принцип, который гласит, что Вселенная выглядит одинаково в любой точке пространства и в любой момент времени (в крупных масштабах). Это расширение обычного космологического принципа (однородность и изотропность пространства) на временное измерение.

Непрерывное рождение материи

Для того чтобы средняя плотность Вселенной оставалась постоянной при её расширении, теория постулирует непрерывное, спонтанное рождение новой материи (обычно водорода) из вакуума. Скорость рождения ничтожно мала (по оценкам Хойла, около одного атома водорода на кубический метр пространства за 10 миллиардов лет), но в масштабах всей Вселенной этого достаточно, чтобы компенсировать разрежение.

Отсутствие сингулярности

В рамках теории не существует момента Большого взрыва или какой-либо сингулярности. Вселенная существовала вечно и будет существовать вечно. Возраст отдельных объектов (звёзд, галактик) может быть любым, но в среднем распределение возрастов остаётся постоянным из-за непрерывного образования новых звёзд из новорождённого вещества.

Ключевые отличия от теории Большого взрыва

Наблюдательные проблемы и критика

Реликтовое излучение

Открытие в 1965 году изотропного микроволнового фона с температурой около 2,7 К стало серьёзным ударом по теории. В рамках стационарной модели это излучение пытались объяснить как суммарное излучение далёких галактик или рассеяние на межгалактической пыли, но такие объяснения требовали нереалистичных параметров среды. Теория Большого взрыва, напротив, предсказывала существование такого излучения как «отголоска» горячей ранней Вселенной.

Распределение квазаров и радиогалактик

Наблюдения 1960-х — 1970-х годов показали, что количество квазаров и радиогалактик на единицу объёма возрастает с расстоянием (то есть с удалением в прошлое). В стационарной Вселенной такой зависимости быть не должно — объекты должны распределяться равномерно. Это противоречие не удалось разрешить.

Химический состав

Теория Большого взрыва успешно объясняет наблюдаемое содержание лёгких элементов (водорода, гелия, дейтерия, лития) как результат первичного нуклеосинтеза. В стационарной модели происхождение гелия и других элементов приходится объяснять исключительно звёздным нуклеосинтезом, что не даёт точного соответствия наблюдениям (особенно по содержанию дейтерия).

Возраст Вселенной и объектов

В стационарной модели не существует верхнего предела возраста для звёзд. Однако наблюдения показывают, что самые старые звёзды (например, в шаровых скоплениях) имеют возраст около 12–13 млрд лет, что хорошо согласуется с возрастом Вселенной в модели Большого взрыва, но не требует вечного существования.

Модифицированные версии

Теория Хойла — Нарликара

В 1993 году Фред Хойл и Джаянт Нарликар предложили модифицированную версию — теорию квазистационарной Вселенной (QSSC, Quasi-Steady State Cosmology). В этой модели расширение Вселенной является циклическим: периоды расширения сменяются периодами сжатия, а рождение материи происходит в основном в моменты минимума масштабного фактора. Эта версия пыталась объяснить реликтовое излучение как результат теплового излучения межгалактической пыли, нагреваемой звёздами, но не получила широкого признания.

Плазменная космология

Альтернативное направление, предложенное Ханнесом Альвеном, отрицает как Большой взрыв, так и стационарное состояние в классическом понимании, постулируя вечную Вселенную, управляемую электромагнитными силами. Эта модель также не подтверждена наблюдениями.

Научный статус

По состоянию на 2024 год теория квазистационарной Вселенной (в любой её версии) не является частью мейнстримной космологии. Стандартная модель ΛCDM, основанная на теории Большого взрыва, инфляции и тёмной энергии, подтверждается данными наблюдений: анизотропией реликтового излучения (спутники COBE, WMAP, Planck), распределением галактик (SDSS, 2dF), данными по сверхновым типа Ia и гравитационным волнам. Теория стационарного состояния рассматривается как исторический этап развития космологии, сыгравший важную роль в стимулировании наблюдательных исследований.

Источники

• Бонди Г., Голд Т. «The Steady-State Theory of the Expanding Universe» (1948)
• Хойл Ф. «A New Model for the Expanding Universe» (1948)
• Новиков И. Д. «Эволюция Вселенной» (1983)
• Вайнберг С. «Первые три минуты» (1977)
• Хойл Ф., Нарликар Дж. «The Quasi-Steady State Cosmology» (1993)
• Дэвис П. «Случайная Вселенная» (1980)