Forstå kosmologi og dens innvirkning

Kosmologi kan være en vanskelig disiplin å få tak i, ettersom det er et studieretning innen fysikk som berører mange andre områder. (Selv om det i sannhet i disse dager i stort sett alle studier innen fysikk berører mange andre områder.) Hva er kosmologi? Hva gjør menneskene som studerer den (kalt kosmologer) egentlig? Hvilke bevis er det for å støtte arbeidet deres?

kosmologi er vitenskapens disiplin som studerer universets opprinnelse og eventuelle skjebne. Det henger mest sammen med de spesifikke feltene astronomi og astrofysikk, selv om forrige århundre også har brakt kosmologien tett på linje med nøkkelinnsikt fra partikkelfysikk.

Med andre ord når vi en fascinerende erkjennelse:

Vår forståelse av moderne kosmologi kommer fra å koble oppførselen til største strukturer i vårt univers (planeter, stjerner, galakser og galakse klynger) sammen med de av minste strukturer i vårt univers (grunnleggende partikler).

Studiet av kosmologi er sannsynligvis en av de eldste formene for spekulativ undersøkelse av naturen, og den begynte på et tidspunkt i historien da et eldgamelt menneske så mot himmelen, stilte spørsmål som følgende:

• Hvordan kom vi til å være her?
• Hva skjer på nattehimmelen?
• Er vi alene i universet?
• Hva er de blanke tingene på himmelen?

Du får ideen.

De eldgamle kom med noen ganske gode forsøk på å forklare disse. Hoved blant disse i den vestlige vitenskapelige tradisjonen er fysikken til de gamle grekere, som utviklet en omfattende geosentrisk modell av universet som ble raffinert gjennom århundrene frem til Ptolemaios tid, på hvilket tidspunkt kosmologi utviklet seg virkelig ikke på flere århundrer, bortsett fra i noen detaljer om hastighetene til de forskjellige komponentene i system.

Det neste store fremskrittet i dette området kom fra Nicolaus Copernicus i 1543, da han ga ut astronomiboken på dødsleiet sitt (forutse at det ville føre til kontrovers med den katolske kirken), og redegjøre for bevisene for hans heliosentriske modell av solenergien system. Den viktigste innsikten som motiverte denne transformasjonen i tankegangen var forestillingen om at det ikke var noe reelt grunn til å anta at Jorden inneholder en grunnleggende privilegert posisjon innen det fysiske kosmos. Denne endringen i forutsetninger er kjent som Copernican prinsipp. Copernicus 'heliosentriske modell ble enda mer populær og akseptert basert på arbeidet til Tycho Brahe, Galileo Galilei, og Johannes Kepler, som samlet betydelige eksperimentelle bevis til støtte for den kopernikanske heliosentriske modellen.

Det var Sir Isaac Newton som var i stand til å bringe alle disse funnene sammen for å faktisk forklare planetbevegelsene. Han hadde intuisjonen og innsikten til å innse at bevegelsen til objekter som faller til jorden var lik bevegelsen til objekter som kretser rundt Jorden (i hovedsak faller disse objektene kontinuerlig rundt jorden). Siden denne bevegelsen var lik, innså han at den sannsynligvis var forårsaket av den samme styrken, som han kalte tyngde. Ved nøye observasjon og utvikling av ny matematikk kalt kalkulus og hans tre bevegelseslover, Newton var i stand til å lage ligninger som beskrev denne bevegelsen i en rekke situasjoner.

Selv om Newtons tyngdekraft fungerte med å forutsi himmelens bevegelse, var det ett problem... det var ikke helt klart hvordan det fungerte. Teorien foreslo at objekter med masse tiltrekker hverandre over verdensrommet, men Newton var ikke i stand til å utvikle en vitenskapelig forklaring på mekanismen som tyngdekraften brukte for å oppnå dette. For å forklare det uforklarlige, stolte Newton på en generisk appell til Gud, i utgangspunktet oppfører objekter seg på denne måten som svar på Guds perfekte nærvær i universet. Å få en fysisk forklaring ville vente i to århundrer, til ankomsten av et geni hvis intellekt kunne formørke til og med Newtons.

Newtons kosmologi dominerte vitenskapen frem til begynnelsen av det tjuende århundre da Albert Einstein utviklet sin teori om generell relativitet, som omdefinerte den vitenskapelige forståelsen av tyngdekraften. I Einsteins nye formulering ble tyngdekraften forårsaket av bøyning av 4-dimensjonal romtid som respons på tilstedeværelsen av en massiv gjenstand, for eksempel en planet, en stjerne eller til og med en galakse.

En av de interessante implikasjonene av denne nye formuleringen var at romtiden i seg selv ikke var i likevekt. I ganske kort rekkefølge innså forskere at generell relativitet forutså at romtid enten ville utvide seg eller trekke seg sammen. Tro Einstein trodde at universet faktisk var evig, introduserte han en kosmologisk konstant inn i teorien, som ga et press som motvirket utvidelsen eller sammentrekningen. Da astronomen Edwin Hubble til slutt oppdaget at universet faktisk ekspanderte, innså Einstein at han hadde gjort en feil og fjernet den kosmologiske konstanten fra teorien.

Hvis universet ekspanderte, er den naturlige konklusjonen at hvis du skulle spole tilbake universet, ville du se at det må ha begynt i en liten, tett klump av materie. Denne teorien om hvordan universet begynte ble kalt Big Bang Theory. Dette var en kontroversiell teori gjennom de midtre tiårene av det tjuende århundre, da det kjempet om dominans mot Fred Hoyles stabil tilstand teori. Oppdagelsen av den kosmiske mikrobølgebakgrunnen strålingen i 1965 bekreftet imidlertid en prediksjon som hadde blitt gjort i forhold til big bang, så den ble allment akseptert blant fysikere.

Selv om han ble bevist feil om teori om stabil tilstand, blir Hoyle kreditert for den største utviklingen i teorien om stjernenukleosyntese, som er teorien om at hydrogen og andre lette atomer blir omdannet til tyngre atomer i kjernefysiske diglene kalt stjerner, og spyttet ut i universet ved stjernens død. Disse tyngre atomene formes deretter til vann, planeter og til slutt liv på jorden, inkludert mennesker! Således er vi, i mange forferdelige kosmologers ord, dannet av stardust.

Uansett, tilbake til universets utvikling. Etter hvert som forskere fikk mer informasjon om universet og målte mer den kosmiske mikrobølgebakgrunnen stråling, var det et problem. Etter hvert som det ble foretatt detaljerte målinger av astronomiske data, ble det klart at begreper fra kvante fysikk som trengs for å spille en sterkere rolle i forståelsen av de tidlige faser og evolusjonen av univers. Dette feltet av teoretisk kosmologi, selv om det fortsatt er svært spekulativt, har vokst ganske fruktbart og kalles noen ganger kvantekosmologi.

Kvantefysikk viste et univers som var ganske nær å være ensartet i energi og materie, men ikke var helt enhetlig. Imidlertid ville eventuelle svingninger i det tidlige universet utvidet seg kraftig i løpet av de milliarder av årene universet utvidet... og svingningene var mye mindre enn man kunne forvente. Så kosmologer måtte finne ut en måte å forklare et ikke-uniformt tidlig univers, men en som hadde bare ekstremt små svingninger.

Gå inn i Alan Guth, en partikkelfysiker som taklet dette problemet i 1980 med utviklingen av inflasjonsteori. Svingningene i det tidlige universet var mindre kvantumsvingninger, men de ekspanderte raskt i det tidlige universet på grunn av en ekstremt rask ekspansjonsperiode. Astronomiske observasjoner siden 1980 har støttet forutsigelsene fra inflasjonsteorien, og det er nå konsensussynet blant de fleste kosmologer.

Selv om kosmologien har kommet langt i løpet av det siste århundret, er det fremdeles flere åpne mysterier. Faktisk er to av de sentrale mysteriene i moderne fysikk de dominerende problemene innen kosmologi og astrofysikk:

• Dark Matter - Noen galakser beveger seg på en måte som ikke kan forklares fullt ut basert på mengden materie som er observert i dem (kalt "synlig materie"), men som kan forklares hvis det er en ekstra usett sak innen galakse. Denne ekstra saken, som er spådd å ta opp omtrent 25% av universet, basert på de nyeste målingene, kalles mørk materie. I tillegg til astronomiske observasjoner, eksperimenter på jorden som Cryogenic Dark Matter Search (CDMS) prøver å direkte observere mørk materie.
• Mørk energi - I 1998 forsøkte astronomer å oppdage hastigheten som universet bremset ned... men de fant ut at det ikke gikk sakte. Faktisk var akselerasjonsraten raskere. Det ser ut til at Einsteins kosmologiske konstant tross alt var nødvendig, men i stedet for å holde universet som et I likevektstilstand ser det ut til å skyve galaksen fra hverandre i en raskere og raskere takt etter hvert som tiden går på. Det er ukjent nøyaktig hva som forårsaker denne "frastøtende tyngdekraften", men navnet fysikere har gitt til det stoffet er "mørk energi." Astronomiske observasjoner spår at denne mørke energien utgjør omtrent 70% av universets substans.

Det er noen andre forslag for å forklare disse uvanlige resultatene, for eksempel Modified Newtonian Dynamics (MOND) og variabel hastighet av lett kosmologi, men disse alternativene anses som kanteteorier som ikke er akseptert blant mange fysikere i felt.

Det er verdt å merke seg at big bang-teorien faktisk beskriver måten universet har utviklet seg siden kort tid etter opprettelsen, men kan ikke gi noen direkte informasjon om den faktiske opprinnelsen til univers.

Dette er ikke å si at fysikk ikke kan fortelle oss noe om universets opprinnelse. Når fysikere utforsker den minste romskalaen, finner de ut at kvantefysikk resulterer i at det skapes virtuelle partikler, noe som fremgår av Casimir-effekt. Faktisk spår inflasjonsteorien at i mangel av materie eller energi, så ville romtiden utvide seg. Tatt til pålydende gir dette derfor forskere en rimelig forklaring på hvordan universet opprinnelig kunne oppstå. Hvis det var en ekte "ingenting", uansett, ingen energi, ingen romtid, ville ingenting være ustabilt og begynne å generere materie, energi og en utvidet romtid. Dette er den sentrale avhandlingen av bøker som Grand Design og Et univers fra ingenting, som påpeker at universet kan forklares uten henvisning til en overnaturlig skapergud.

Det ville være vanskelig å over-understreke den kosmologiske, filosofiske og kanskje til og med teologiske viktigheten av å erkjenne at Jorden ikke var sentrum av kosmos. I denne forstand er kosmologi et av de tidligste feltene som ga bevis som var i strid med det tradisjonelle religiøse verdensbildet. Faktisk har hvert fremskritt i kosmologien sett ut til å fly i møte med de mest elskede antagelsene som vi ønsker å gjøre om hvor spesiell menneskehet er som en art... i det minste når det gjelder kosmologisk historie. Denne passasjen fra Grand Design av Stephen Hawking og Leonard Mlodinow veltalende legger ut transformasjonen i tankegangen som er kommet fra kosmologien:

Nicolaus Copernicus 'heliosentriske modell av solsystemet er anerkjent som den første overbevisende vitenskapelige demonstrasjonen om at vi mennesker ikke er fokuspunktet i kosmos... Vi innser nå at Copernicus 'resultat bare er en av en serie med nestede demotjoner som styrter lange antakelser om menneskehetens spesielle status: vi er ikke plassert i sentrum av solsystemet, vi er ikke plassert i sentrum av galaksen, vi er ikke plassert i sentrum av universet, er vi ikke en gang laget av de mørke ingrediensene som utgjør det store flertallet av universets masse. Slik kosmisk nedgradering... eksemplifiserer hva forskere nå kaller det kopernikanske prinsippet: i den store tingenes ordning peker alt vi vet mot mennesker som ikke inntar en privilegert posisjon.