Razumevanje kozmologije in njenega vpliva

Časovni trak zgodovine vesolja. (junij 2009). Znanstvena ekipa NASA/WMAP

Kozmologija je lahko disciplina, ki jo je težko obvladati, saj je področje študija v fiziki, ki se dotika številnih drugih področij. (Čeprav se v resnici dandanes skoraj vsa študijska področja fizike dotikajo številnih drugih področij.) Kaj je kozmologija? Kaj pravzaprav počnejo ljudje, ki to preučujejo (imenovani kozmologi)? Kakšni dokazi podpirajo njihovo delo?

Kozmologija na prvi pogled

Kozmologija je disciplina znanosti, ki preučuje izvor in končno usodo vesolja. Najtesneje je povezana s posebnimi področji astronomije in astrofizike, čeprav je zadnje stoletje tudi kozmologijo tesno uskladilo s ključnimi spoznanji iz fizike delcev.

Z drugimi besedami, pridemo do fascinantnega spoznanja:

Naše razumevanje sodobne kozmologije izhaja iz povezovanja vedenja največji strukture v našem vesolju (planete, zvezde, galaksije in galaktične jate) skupaj s tistimi iz najmanjši strukture v našem vesolju (temeljni delci).

Zgodovina kozmologije

Študij kozmologije je verjetno ena najstarejših oblik špekulativnega raziskovanja narave in se je začel na neki točki v zgodovini, ko je starodavni človek pogledal proti nebu in zastavil vprašanja, kot so naslednja:

• Kako smo prišli sem?
• Kaj se dogaja na nočnem nebu?
• Ali smo sami v vesolju?
• Kaj so tiste sijoče stvari na nebu?

Razumete.

Starodavni so našli nekaj precej dobrih poskusov, da bi to razložili. Glavna med njimi v zahodni znanstveni tradiciji je fizika starih Grkov , ki je razvil obsežen geocentrični model vesolja, ki se je skozi stoletja izpopolnjeval do Ptolemajevega časa, ko se kozmologija več stoletij dejansko ni razvila naprej, razen v nekaterih podrobnostih o hitrostih različnih komponent vesolja sistem.

Naslednji večji napredek na tem področju je dosegel Nikolaj Kopernik leta 1543, ko je na smrtni postelji objavil svojo astronomsko knjigo (v pričakovanju, da bo povzročila polemiko s katoliško cerkvijo), v kateri je orisal dokaze za svoj heliocentrični model sončnega sistema. Ključni vpogled, ki je motiviral to preobrazbo v razmišljanju, je bila ideja, da ni nobenega pravega razloga za domnevo, da ima Zemlja v osnovi privilegiran položaj v fizičnem kozmosu. Ta sprememba predpostavk je znana kot Kopernikansko načelo . Kopernikov heliocentrični model je postal še bolj priljubljen in sprejet na podlagi dela Tycha Braheja, Galileo Galilej , in Johannes Kepler , ki je zbral znatne eksperimentalne dokaze v podporo kopernikanskemu heliocentričnemu modelu.

Bilo je Sir Isaac Newton ki je lahko vsa ta odkritja združil v dejansko razlago gibanja planetov. Imel je intuicijo in vpogled, da je spoznal, da je gibanje predmetov, ki padajo na zemljo, podobno gibanju predmetov, ki krožijo okoli Zemlje (v bistvu ti predmeti nenehno padajo okoli Zemlja). Ker je bilo to gibanje podobno, je ugotovil, da ga je verjetno povzročila ista sila, ki jo je poklical gravitacija . S skrbnim opazovanjem in razvojem nove matematike, imenovane račun in njegov trije zakoni gibanja , je Newton lahko ustvaril enačbe, ki so opisale to gibanje v različnih situacijah.

Čeprav je Newtonov zakon gravitacije deloval pri napovedovanju gibanja nebes, je obstajala ena težava ... ni bilo povsem jasno, kako deluje. Teorija je predlagala, da se predmeti z maso medsebojno privlačijo po vesolju, vendar Newton ni mogel razviti znanstvene razlage za mehanizem, ki ga je uporabila gravitacija, da bi to dosegla. Da bi razložil nerazložljivo, se je Newton zanašal na generično pozivanje k Bogu, v bistvu se predmeti tako obnašajo kot odgovor na Božjo popolno prisotnost v vesolju. Da bi dobili fizikalno razlago, bi morali čakati več kot dve stoletji, dokler ne bi prišel genij, čigar intelekt bi lahko zasenčil celo Newtonov.

Splošna teorija relativnosti in veliki pok

Newtonova kozmologija je prevladovala v znanosti do zgodnjega dvajsetega stoletja Albert Einstein razvil svojo teorijo o splošna relativnost , ki je na novo definiral znanstveno razumevanje gravitacije. V Einsteinovi novi formulaciji je gravitacijo povzročilo upogibanje 4-dimenzionalnega vesolja-časa kot odgovor na prisotnost masivnega predmeta, kot je planet, zvezda ali celo galaksija.

Ena od zanimivih posledic te nove formulacije je bila, da sam prostor-čas ni bil v ravnotežju. V razmeroma kratkem času so znanstveniki spoznali, da splošna relativnost predvideva, da se bo prostor-čas razširil ali skrčil. Verjemite, da je Einstein verjel, da je vesolje dejansko večno, v teorijo je uvedel kozmološko konstanto, ki je zagotovila pritisk, ki je preprečil širjenje ali krčenje. Ko pa je astronom Edwin Hubble sčasoma odkril, da se vesolje v resnici širi, je Einstein ugotovil, da je naredil napako in iz teorije odstranil kozmološko konstanto.

Če bi se vesolje širilo, potem je naravni sklep, da če bi vesolje previli nazaj, bi videli, da se je moralo začeti v majhni, gosti kepi snovi. Ta teorija o tem, kako je vesolje nastalo, je postala imenovana teorija velikega poka. To je bila kontroverzna teorija v srednjih desetletjih dvajsetega stoletja, saj se je borila za prevlado proti Fredu Hoylu teorija stabilnega stanja . Odkritje kozmičnega mikrovalovnega sevanja ozadja leta 1965 pa je potrdilo napoved, ki je bila narejena v zvezi z velikim pokom, zato je postala splošno sprejeta med fiziki.

Čeprav se je izkazalo, da se je motil glede teorije stabilnega stanja, je Hoyle zaslužen za velik razvoj v teoriji zvezdna nukleosinteza , ki je teorija, da se vodik in drugi lahki atomi pretvorijo v težje atome v jedrskih lončkih, imenovanih zvezde, in izpljunejo v vesolje po smrti zvezde. Ti težji atomi se nato oblikujejo v vodo, planete in končno življenje na Zemlji, vključno z ljudmi! Tako smo po besedah ​​mnogih navdušenih kozmologov vsi nastali iz zvezdnega prahu.

Kakorkoli že, nazaj k razvoju vesolja. Ko so znanstveniki pridobili več informacij o vesolju in natančneje izmerili kozmično mikrovalovno sevanje ozadja, je prišlo do težave. Ko so bile opravljene podrobne meritve astronomskih podatkov, je postalo jasno, da morajo koncepti kvantne fizike igrati močnejšo vlogo pri razumevanju zgodnjih faz in razvoja vesolja. To področje teoretične kozmologije, čeprav je še vedno zelo špekulativno, je postalo precej plodno in se včasih imenuje kvantna kozmologija.

Kvantna fizika je pokazala vesolje, ki je bilo zelo blizu enotnemu glede energije in snovi, vendar ni bilo popolnoma enotno. Vendar bi se kakršna koli nihanja v zgodnjem vesolju močno razširila v milijardah let, kolikor se je vesolje širilo ... in nihanja so bila veliko manjša, kot bi pričakovali. Tako so kozmologi morali najti način, kako razložiti neenakomerno zgodnje vesolje, ki pa je samo izjemno majhna nihanja.

Vstopi Alan Guth, fizik delcev, ki se je tega problema lotil leta 1980 z razvojem teorija inflacije . Nihanja v zgodnjem vesolju so bila manjša kvantna nihanja, vendar so se v zgodnjem vesolju hitro razširila zaradi ultra hitrega obdobja širjenja. Astronomska opazovanja od leta 1980 so podprla napovedi teorije inflacije in to je zdaj soglasno mnenje večine kozmologov.

Skrivnosti sodobne kozmologije

Čeprav je kozmologija v zadnjem stoletju močno napredovala, je še vedno nekaj odprtih skrivnosti. Pravzaprav sta dve osrednji skrivnosti sodobne fizike prevladujoča problema v kozmologiji in astrofiziki:

• Temna snov – Nekatere galaksije se gibljejo na način, ki ga ni mogoče v celoti razložiti na podlagi količine snovi, ki jo opazimo v njih (imenovane 'vidna snov'), vendar ga je mogoče razložiti, če je v galaksiji dodatna nevidna snov. Ta dodatna snov, za katero se predvideva, da bo na podlagi najnovejših meritev zasedla približno 25 % vesolja, se imenuje temna snov. Poleg astronomskih opazovanj so tudi poskusi na Zemlji, kot je npr Iskanje kriogene temne snovi (CDMS) poskušajo neposredno opazovati temno snov.
• Temna energija - Leta 1998 so astronomi poskušali zaznati hitrost, s katero se vesolje upočasnjuje ... vendar so ugotovili, da se ne upočasnjuje. Pravzaprav se je hitrost pospeševanja povečevala. Zdi se, da je bila Einsteinova kozmološka konstanta kljub vsemu potrebna, toda namesto da bi ohranila vesolje kot stanje ravnotežja, se zdi, da dejansko potiska galaksije narazen vse hitreje in hitreje, kot čas mineva. Ni natančno znano, kaj povzroča to 'odbojno gravitacijo', vendar so fiziki tej snovi dali ime 'temna energija'. Astronomska opazovanja napovedujejo, da ta temna energija predstavlja približno 70 % snovi vesolja.

Obstaja nekaj drugih predlogov za razlago teh nenavadnih rezultatov, kot sta modificirana newtonska dinamika (MOND) in kozmologija spremenljive hitrosti svetlobe, vendar te alternative veljajo za obrobne teorije, ki jih številni fiziki na tem področju ne sprejemajo.

Izvori vesolja

Omeniti velja, da teorija velikega poka dejansko opisuje, kako se je vesolje razvijalo kmalu po nastanku, vendar ne more dati nobenih neposrednih informacij o dejanskem izvoru vesolja.

To ne pomeni, da nam fizika ne more povedati ničesar o izvoru vesolja. Ko fiziki raziskujejo vesolje na najmanjšem merilu, ugotovijo, da kvantna fizika povzroči nastanek virtualnih delcev, kar dokazuje Kazimirjev učinek . Pravzaprav teorija inflacije napoveduje, da bi se v odsotnosti kakršne koli snovi ali energije prostor-čas razširil. Gledano po nominalni vrednosti torej daje znanstvenikom razumno razlago, kako je lahko vesolje prvotno nastalo. Če bi obstajal pravi 'nič', ne materija, ne energija, ne prostor-čas, potem bi bilo to nič nestabilno in bi začelo ustvarjati snov, energijo in širijoč se prostor-čas. To je osrednja teza knjig, kot je npr Veliki dizajn in Vesolje iz nič , ki trdijo, da je vesolje mogoče razložiti brez sklicevanja na nadnaravno božanstvo stvarnika.

Vloga človeštva v kozmologiji

Težko bi preveč poudarili kozmološki, filozofski in morda celo teološki pomen spoznanja, da Zemlja ni središče vesolja. V tem smislu je kozmologija eno najzgodnejših področij, ki je prineslo dokaze, ki so bili v nasprotju s tradicionalnim verskim pogledom na svet. Pravzaprav se je zdelo, da je vsak napredek v kozmologiji v nasprotju z najbolj cenjenimi predpostavkami, ki bi si jih želeli o tem, kako posebna je človeštvo kot vrsta ... vsaj v smislu kozmološke zgodovine. Ta odlomek iz Veliki dizajn avtor Stephen Hawking in Leonard Mlodinow zgovorno predstavi preobrazbo v razmišljanju, ki je prišla iz kozmologije:

Heliocentrični model sončnega sistema Nikolaja Kopernika je priznan kot prvi prepričljivi znanstveni dokaz, da ljudje nismo osrednja točka vesolja... Zdaj se zavedamo, da je Kopernikov rezultat le eden od niza ugnezdenih degradacij, ki strmoglavljajo dolgo - predpostavke o posebnem statusu človeštva: ne nahajamo se v središču sončnega sistema, ne nahajamo se v središču galaksije, ne nahajamo se v središču vesolja, niti ne sestavljen iz temnih sestavin, ki predstavljajo veliko večino mase vesolja. Takšno kozmično zniževanje ... ponazarja to, kar znanstveniki zdaj imenujejo kopernikansko načelo: v veliki shemi stvari vse, kar vemo, kaže na to, da ljudje ne zasedajo privilegiranega položaja.