Zrozumienie kosmologii i jej wpływu

Kosmologia może być trudną dyscypliną do opanowania, ponieważ jest to dziedzina badań w dziedzinie fizyki, która dotyka wielu innych dziedzin. (Chociaż tak naprawdę w dzisiejszych czasach prawie wszystkie dziedziny fizyki dotykają wielu innych dziedzin.) Czym jest kosmologia? Co tak naprawdę robią badający go ludzie (zwani kosmologami)? Jakie są dowody na poparcie ich pracy?

Kosmologia jest dyscypliną nauki, która bada pochodzenie i ostateczny los wszechświata. Jest to najściślej związane z konkretnymi dziedzinami astronomii i astrofizyki, chociaż ostatni wiek zbliżył również kosmologię do kluczowych wniosków z fizyki cząstek elementarnych.

Innymi słowy, osiągamy fascynującą realizację:

Nasze rozumienie współczesnej kosmologii wynika z połączenia zachowania Największa struktury w naszym wszechświecie (planety, gwiazdy, galaktyki i gromady galaktyk) wraz z tymi z najmniejszy struktury w naszym wszechświecie (cząstki podstawowe).

Badanie kosmologii jest prawdopodobnie jedną z najstarszych form spekulacyjnych dociekań natury i się zaczęło w pewnym momencie historii, gdy starożytny człowiek patrzył w niebo, zadawał pytania takie jak następujący:

• Jak tu przybyliśmy?
• Co dzieje się na nocnym niebie?
• Czy jesteśmy sami we wszechświecie?
• Co to za błyszczące rzeczy na niebie?

Masz pomysł.

Starożytni wymyślili całkiem niezłe próby ich wyjaśnienia. Najważniejszym z nich w zachodniej tradycji naukowej jest fizyka starożytnych Greków, który opracował kompleksowy model geocentryczny wszechświata, który był udoskonalany przez wieki aż do czasów Ptolemeusza, w którym to momencie kosmologia tak naprawdę nie rozwijała się jeszcze przez kilka stuleci, z wyjątkiem niektórych szczegółów na temat prędkości różnych składników system.

Kolejny znaczący postęp w tej dziedzinie pochodzi od Mikołaja Kopernika w 1543 r., Kiedy opublikował on swoją książkę astronomiczną na łożu śmierci (przewidując, że wywołałoby to kontrowersje z Kościołem katolickim), przedstawiając dowody na jego heliocentryczny model Słońca system. Kluczowym wglądem, który motywował tę transformację w myśleniu, było przekonanie, że nie ma realnego powód, aby przypuszczać, że Ziemia ma zasadniczo uprzywilejowaną pozycję w fizyce kosmos. Ta zmiana założeń jest znana jako Zasada Kopernika. Model heliocentryczny Kopernika stał się jeszcze bardziej popularny i przyjęty na podstawie pracy Tycho Brahe, Galileo Galilei, i Johannes Kepler, który zgromadził znaczące dowody eksperymentalne na poparcie heliocentrycznego modelu kopernikańskiego.

To było Sir Isaac Newton który był jednak w stanie zgromadzić wszystkie te odkrycia w celu wyjaśnienia ruchów planet. Miał intuicję i wgląd, aby zrozumieć, że ruch obiektów spadających na ziemię był podobny do ruchu obiektów krążących wokół Ziemi (w gruncie rzeczy obiekty te nieustannie spadają na około Ziemia). Ponieważ ruch ten był podobny, zdał sobie sprawę, że prawdopodobnie był spowodowany tą samą siłą, którą nazwał powaga. Przez uważną obserwację i rozwój nowej matematyki tzw rachunek różniczkowy i jego trzy prawa ruchuNewton był w stanie stworzyć równania opisujące ten ruch w różnych sytuacjach.

Chociaż prawo grawitacji Newtona działało w przewidywaniu ruchu niebios, istniał jeden problem... nie było do końca jasne, jak to działa. Teoria ta sugerowała, że ​​obiekty o masie przyciągają się w przestrzeni, ale Newton nie był w stanie opracować naukowego wyjaśnienia mechanizmu, którego używa grawitacja. Aby wyjaśnić to, co niewytłumaczalne, Newton oparł się na ogólnym wezwaniu do Boga, w zasadzie obiekty zachowują się w ten sposób w odpowiedzi na doskonałą obecność Boga we wszechświecie. Uzyskanie fizycznego wyjaśnienia wymagałoby ponad dwóch stuleci, aż nadejdzie geniusz, którego intelekt może przyćmić nawet umysł Newtona.

Kosmologia Newtona zdominowała naukę do początków XX wieku, kiedy to Albert Einstein rozwinął swoją teorię ogólna teoria względności, która na nowo zdefiniowała naukowe rozumienie grawitacji. W nowym sformułowaniu Einsteina grawitacja była spowodowana zgięciem 4-wymiarowej czasoprzestrzeni w odpowiedzi na obecność masywnego obiektu, takiego jak planeta, gwiazda, a nawet galaktyka.

Jednym z interesujących implikacji tego nowego sformułowania było to, że sama czasoprzestrzeń nie była w równowadze. W dość krótkim czasie naukowcy zdali sobie sprawę, że ogólna teoria względności przewiduje, że czasoprzestrzeń będzie się rozszerzać lub kurczyć. Uwierz Einstein wierzył, że wszechświat był naprawdę wieczny, wprowadził stała kosmologiczna w teorię, która dostarczyła presji, która przeciwdziałała ekspansji lub kurczeniu się. Jednak gdy astronom Edwin Hubble w końcu odkrył, że wszechświat faktycznie się rozszerza, Einstein zdał sobie sprawę, że popełnił błąd i usunął stałą kosmologiczną z teorii.

Jeśli wszechświat się rozszerza, naturalnym wnioskiem jest to, że jeśli przewiniesz wszechświat, zobaczysz, że musiał on zacząć się w małej, gęstej bryle materii. Ta teoria powstawania wszechświata nazywa się Teorią Wielkiego Wybuchu. Była to kontrowersyjna teoria z połowy dekad XX wieku, ponieważ walczyła o dominację przeciwko Fredowi Hoyle'owi teoria stanu ustalonego. Odkrycie kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła w 1965 r. Potwierdziło jednak prognozę dotyczącą Wielkiego Wybuchu, dlatego została szeroko zaakceptowana przez fizyków.

Chociaż udowodniono mu, że mylił się co do teorii stanu ustalonego, Hoyleowi przypisuje się główne osiągnięcia w teorii nukleosynteza gwiazd, która jest teorią, że wodór i inne lekkie atomy są przekształcane w cięższe atomy w tyglach jądrowych zwanych gwiazdami i wypluwane do wszechświata po śmierci gwiazdy. Te cięższe atomy następnie formują się w wodę, planety i ostatecznie życie na Ziemi, w tym ludzi! Tak więc, według słów wielu zdumionych kosmologów, wszyscy jesteśmy uformowani z gwiezdnego pyłu.

W każdym razie wracając do ewolucji wszechświata. Gdy naukowcy uzyskali więcej informacji o wszechświecie i dokładniej zmierzyli kosmiczne promieniowanie mikrofalowe w tle, pojawił się problem. Gdy wykonano szczegółowe pomiary danych astronomicznych, stało się jasne, że koncepcje kwantowe fizyka musiała odegrać silniejszą rolę w zrozumieniu wczesnych faz i ewolucji wszechświat. Ta dziedzina kosmologii teoretycznej, choć wciąż bardzo spekulatywna, stała się dość płodna i jest czasami nazywana kosmologią kwantową.

Fizyka kwantowa pokazała wszechświat, który był bardzo bliski jednolitości w energii i materii, ale nie był całkowicie jednolity. Jednak wszelkie fluktuacje we wczesnym wszechświecie znacznie by się rozszerzyły w ciągu miliardów lat, kiedy wszechświat się rozszerzył... i fluktuacje były znacznie mniejsze, niż można by się spodziewać. Kosmolodzy musieli więc znaleźć sposób na wyjaśnienie niejednorodnego wczesnego wszechświata, ale taki, który miał tylko wyjątkowo małe wahania.

Wejdź do Alana Gutha, fizyka cząstek, który rozwiązał ten problem w 1980 roku wraz z rozwojem teoria inflacji. Fluktuacje we wczesnym wszechświecie były niewielkie fluktuacje kwantowe, ale gwałtownie rozszerzyły się we wczesnym wszechświecie z powodu ultraszybkiego okresu ekspansji. Obserwacje astronomiczne od 1980 r. Potwierdziły prognozy teorii inflacji i jest to obecnie konsensus wśród większości kosmologów.

Chociaż kosmologia znacznie się rozwinęła w ciągu ostatniego stulecia, wciąż istnieje kilka otwartych tajemnic. W rzeczywistości dwie główne tajemnice współczesnej fizyki to dominujące problemy w kosmologii i astrofizyce:

• Ciemna materia - niektóre galaktyki poruszają się w sposób, którego nie można w pełni wyjaśnić na podstawie ilości materii zaobserwowane w nich (zwane „materią widzialną”), ale które można wytłumaczyć, jeśli istnieje dodatkowa niewidzialna materia w obrębie galaktyka. Ta dodatkowa materia, która zgodnie z najnowszymi pomiarami ma zajmować około 25% wszechświata, nazywa się ciemną materią. Oprócz obserwacji astronomicznych eksperymenty na Ziemi, takie jak Wyszukiwanie kriogeniczne ciemnej materii (CDMS) próbują bezpośrednio obserwować ciemną materię.
• Ciemna energia - W 1998 r. Astronomowie próbowali wykryć tempo, w którym wszechświat zwalniał... ale odkryli, że to nie zwalniało. W rzeczywistości przyspieszenie przyspieszyło. Wygląda na to, że kosmologiczna stała Einsteina była w końcu potrzebna, ale zamiast utrzymywać wszechświat jako w stanie równowagi wydaje się, że w miarę upływu czasu rozpycha galaktyki coraz szybciej na. Nie wiadomo dokładnie, co powoduje tę „odpychającą grawitację”, ale fizycy nadali tej substancji nazwę to „ciemna energia”. Obserwacje astronomiczne przewidują, że ta ciemna energia stanowi około 70% energii wszechświata substancja.

Istnieją inne sugestie dotyczące wyjaśnienia tych niezwykłych wyników, takie jak zmodyfikowana dynamika newtonowska (MOND) i zmienna prędkość kosmologii światła, ale te alternatywy są uważane za skrajne teorie, które nie są akceptowane przez wielu fizyków w pole.

Warto zauważyć, że teoria Wielkiego Wybuchu opisuje faktycznie ewolucję wszechświata wkrótce po utworzeniu, ale nie może podać żadnych bezpośrednich informacji o faktycznym pochodzeniu wszechświat.

Nie oznacza to, że fizyka nie może nam nic powiedzieć o pochodzeniu wszechświata. Kiedy fizycy badają najmniejszą skalę przestrzeni, odkrywają, że fizyka kwantowa powoduje tworzenie wirtualnych cząstek, o czym świadczą Efekt Casimira. W rzeczywistości teoria inflacji przewiduje, że przy braku jakiejkolwiek materii lub energii czasoprzestrzeń się rozszerzy. Biorąc to pod uwagę, daje to naukowcom rozsądne wyjaśnienie, jak wszechświat mógł początkowo powstać. Gdyby istniało prawdziwe „nic”, bez względu na to, bez energii, bez czasoprzestrzeni, wówczas nic nie byłoby niestabilne i zaczynałoby generować materię, energię i rozszerzającą się czasoprzestrzeń. To jest główna teza takich książek jak Wielki design i Wszechświat z niczego, które zakładają, że wszechświat można wyjaśnić bez odniesienia do nadprzyrodzonego bóstwa stwórcy.

Trudno byłoby nadmiernie podkreślić kosmologiczne, filozoficzne, a może nawet teologiczne znaczenie uznania, że ​​Ziemia nie była centrum kosmosu. W tym sensie kosmologia jest jedną z najwcześniejszych dziedzin, która dostarczyła dowodów sprzecznych z tradycyjnym światopoglądem religijnym. W rzeczywistości każdy postęp w kosmologii zdawał się latać w obliczu najbardziej cenionych założeń, które chcielibyśmy poczynić na temat wyjątkowej ludzkości jako gatunku... przynajmniej pod względem historii kosmologicznej. Ten fragment z Wielki design przez Stephen Hawking a Leonard Młodinow wymownie przedstawia transformację myślenia, która wyszła z kosmologii:

Helikocentryczny model układu słonecznego Mikołaja Kopernika jest uznawany za pierwszą przekonującą naukową demonstrację, że my, ludzie, nie jesteśmy centralnym punktem kosmosu... Teraz zdajemy sobie sprawę, że wynik Kopernika jest tylko jednym z szeregu zagnieżdżonych demokracji obalających długotrwałe założenia dotyczące specjalny status ludzkości: nie znajdujemy się w centrum Układu Słonecznego, nie jesteśmy w centrum galaktyki, jesteśmy nie znajduje się w centrum wszechświata, nie jesteśmy nawet stworzeni z ciemnych składników stanowiących ogromną większość masa wszechświata. Taka kosmiczna degradacja... stanowi przykład tego, co naukowcy nazywają teraz zasadą kopernikańską: w wielkim schemacie rzeczy wszystko, co wiemy, wskazuje na istoty ludzkie nie zajmujące uprzywilejowanej pozycji.