Kosmologian ja sen vaikutusten ymmärtäminen

Kosmologia voi olla vaikea tapa saada käsittelyyn, koska se on fysiikan tutkimusala, joka koskettaa monia muita alueita. (Vaikka tosiasiassa, nykyään kaikki fysiikan opiskelualat koskettavat melko paljon monia muita aloja.) Mikä on kosmologia? Mitä sitä tutkivat ihmiset (kutsutaan kosmologeiksi) todella tekevät? Mitä todisteita heidän työstään on olemassa?

kosmologia on tieteen ala, joka tutkii maailmankaikkeuden alkuperää ja lopullista kohtaloa. Se liittyy läheisimmin tähtitieteen ja astrofysiikan erityisaloihin, vaikka viime vuosisata on myös tuonut kosmologian lähelle hiukkasfysiikan keskeisiä oivalluksia.

Toisin sanoen saavutamme kiehtovan toteutuksen:

Ymmärrysmme modernista kosmologiasta liittyy yhdistämällä suurin maailmankaikkeuden rakenteet (planeetat, tähdet, galaksit ja galaksiklusterit) yhdessä pienin rakenteet universumissamme (perushiukkaset).

Kosmologian tutkimus on luultavasti yksi vanhimmista luonnon spekulatiivisen tutkimuksen muodoista, ja se alkoi jossain historian vaiheessa, kun muinainen ihminen katsoi taivaita kohti, kysyi mm seurata:

• Kuinka me tulimme olemaan täällä?
• Mitä tapahtuu yötaivaalla?
• Olemmeko yksin maailmankaikkeudessa?
• Mitä nuo kiiltävät asiat taivaalla ovat?

Saat idean.

Muinaiset keksivät joitain melko hyviä yrityksiä selittää nämä. Länsimaisessa tieteellisessä perinteessä tärkein niistä on muinaisten kreikkalaisten fysiikka, joka kehitti kattavan maantieteellisen mallin maailmankaikkeudesta, jota oli jalostettu vuosisatojen ajan Ptolemaioksen aikaan asti, jolloin kosmologia ei todellakaan kehittynyt eteenpäin useiden vuosisatojen ajan, lukuun ottamatta joitain yksityiskohtia kosmetiikan eri komponenttien nopeuksista järjestelmään.

Seuraava merkittävä edistysaskel tällä alueella tapahtui Nicolaus Copernicuksella vuonna 1543, kun hän julkaisi tähtitiedekirjan kuolemanvuoteellaan (ennakoiden, että se aiheuttaisi ristiriitoja katolisen kirkon kanssa), esittäen todisteita hänen heliokeskeisestä aurinkoenergian mallistaan järjestelmään. Tärkein näkemys, joka motivoi tätä muutosta ajattelussa, oli käsitys siitä, ettei todellista ollut syytä olettaa, että maapallolla on perustavanlaatuisesti etuoikeutettu asema fyysisessä Cosmos. Tämä oletusten muutos tunnetaan nimellä Kopernikalainen periaate. Copernicuksen heliokeskeinen malli tuli entistä suositummaksi ja hyväksytyksi Tycho Brahen työn perusteella, Galileo Galileija Johannes Kepler, joka keräsi merkittävää kokeellista näyttöä kopernikalaisen heliosentrisen mallin tueksi.

Se oli Sir Isaac Newton joka kykeni kuitenkin yhdistämään kaikki nämä löytöt tosiasiallisesti selittämään planeetan liikkeitä. Hänellä oli intuitio ja käsitys ymmärtää, että maan päälle putoavien esineiden liikkeet olivat samanlaisia ​​kuin maata kiertävien esineiden liikkeet (pohjimmiltaan nämä esineet putoavat jatkuvasti noin maapallo). Koska tämä liike oli samanlainen, hän tajusi, että sen aiheutti todennäköisesti sama voima, jonka hän kutsui painovoima. Tarkkailemalla ja kehittämällä uutta matematiikkaa kutsuttiin laskenta ja hänen kolme liikelakia, Newton pystyi luomaan yhtälöt, jotka kuvaavat tätä liikettä monissa tilanteissa.

Vaikka Newtonin painolaki ennustaa taivaan liikettä, oli yksi ongelma... ei ollut aivan selvää, kuinka se toimi. Teoria ehdotti, että massalla olevat esineet houkuttelevat toisiaan avaruudessa, mutta Newton ei pystynyt kehittämään tieteellistä selitystä mekanismille, jota gravitaatio käytti tämän saavuttamiseen. Selittääkseen selittämättömän, Newton vetoaa yleiseen vetoomukseen Jumalaan, pohjimmiltaan, esineet käyttäytyvät tällä tavalla vastauksena Jumalan täydelliseen läsnäoloon maailmankaikkeudessa. Fyysisen selityksen saaminen odottaisi yli kahden vuosisadan, kunnes saavutettiin nero, jonka äly voisi hävittää jopa Newtonin.

Newtonin kosmologia hallitsi tiedettä aina 1900-luvun alkuun saakka, jolloin Albert Einstein kehitti teoriaansa yleinen suhteellisuusteoria, joka määritteli uudelleen tieteellisen käsityksen painovoimasta. Einsteinin uudessa formulaatiossa painovoima aiheutui 4-ulotteisen avaruusajan taivutuksesta vasteena massiivisen esineen, kuten planeetan, tähden tai jopa galaksin, läsnäololle.

Yksi tämän uuden formulaation mielenkiintoisista vaikutuksista oli, että avaruusaika ei ollut tasapainossa. Melko lyhyessä järjestyksessä tutkijat ymmärsivät, että yleinen suhteellisuusteoria ennusti, että avaruusaika joko laajenee tai supistuu. Usko Einstein uskoi, että maailmankaikkeus oli todella ikuinen, hän esitteli kosmologinen vakio teoriaan, joka tarjosi paineen, joka vastasi laajenemista tai supistumista. Kuitenkin kun tähtitieteilijä Edwin Hubble huomasi lopulta, että maailmankaikkeus tosiasiassa laajenee, Einstein tajusi tekevänsä virheen ja poistanut kosmologisen vakion teoriasta.

Jos maailmankaikkeus laajeni, niin luonnollinen johtopäätös on, että jos kertoisit maailmankaikkeutta taaksepäin, huomaat, että sen on pitänyt alkaa pienessä, tiheässä ainekokonaisuudessa. Tätä teoriaa siitä, kuinka maailmankaikkeus alkoi, kutsuttiin Big Bang Theory -teokseksi. Tämä oli kiistanalainen teoria kahdennenkymmenennen vuosisadan puolivälissä vuosikymmeninä, koska se kilpaili hallitsevasta asemasta Fred Hoylen vakaan tilan teoria. Kosmisen mikroaaltotaustosäteilyn löytö vuonna 1965 kuitenkin vahvisti ennusteen, joka oli tehty ison bangin suhteen, joten se tuli laajalti hyväksytyksi fyysikoiden keskuudessa.

Vaikka hänelle osoittautui vääräksi vakaan tilan teoriassa, Hoylelle annetaan hyvät teoriat tähtien nukleosynteesi, joka on teoria, jonka mukaan vety ja muut kevyet atomit muuttuvat raskaammiksi atomiksi ydin upokkaissa, joita kutsutaan tähtiä, ja sylkevät maailmankaikkeuteen tähden kuoleman yhteydessä. Nämä raskaammat atomit siirtyvät sitten veteen, planeetoihin ja lopulta elämään maapallolla, mukaan lukien ihmiset! Niinpä monien uskomattomien kosmologien sanoen me kaikki olemme muodostuneet stardustista.

Joka tapauksessa, takaisin maailmankaikkeuden evoluutioon. Kun tutkijat saivat lisätietoja maailmankaikkeudesta ja mittasivat tarkemmin kosmisen mikroaaltosäteilyn säteilyä, siellä oli ongelma. Kun tähtitieteellisistä tiedoista tehtiin yksityiskohtaiset mittaukset, kävi selväksi, että käsitteet kvantista fysiikan tarvitaan vahvemman roolin ymmärtämiseksi maailmankaikkeus. Tämä teoreettisen kosmologian kenttä, vaikka se on silti erittäin spekulatiivinen, on kasvanut melko hedelmälliseksi ja sitä kutsutaan joskus kvantkosmologiaksi.

Kvantfysiikka osoitti maailmankaikkeuden, joka oli melko lähellä energian ja aineen tasalaatuisuutta, mutta ei ollut täysin yhtenäinen. Kaikki varhaisen maailmankaikkeuden vaihtelut olisivat kuitenkin laajentuneet huomattavasti miljardien vuosien aikana, joita maailmankaikkeus laajensi... ja vaihtelut olivat paljon pienempiä kuin voidaan olettaa. Joten kosmologien piti keksiä tapa selittää epäyhtenäinen varhainen maailmankaikkeus, mutta sellainen, jolla oli vain erittäin pienet vaihtelut.

Kirjoita Alan Guth, hiukkasfyysikko, joka puuttui tähän ongelmaan vuonna 1980 kehittämällä inflaatioteoria. Varhaisen maailmankaikkeuden vaihtelut olivat vähäisiä kvanttivaihteluita, mutta ne laajenivat nopeasti varhaisessa universumissa erittäin nopean laajentumisen vuoksi. Vuodesta 1980 lähtien tehdyt tähtitieteelliset havainnot ovat tuoneet inflaatioteorian ennusteita, ja se on nyt useimpien kosmologien yksimielisyys.

Vaikka kosmologia on edennyt huomattavasti viime vuosisadan aikana, on edelleen useita avoimia mysteerejä. Itse asiassa kaksi modernin fysiikan keskeisistä mysteereistä ovat hallitsevia ongelmia kosmologiassa ja astrofysiikassa:

• Tumma aine - Jotkut galaksit liikkuvat tavalla, jota ei voida täysin selittää käytetyn aineen määrän perusteella havaittu niiden sisällä (kutsutaan "näkyväksi aineeksi"), mutta joka voidaan selittää, jos alueella on ylimääräistä näkymätöntä ainetta galaksi. Tätä ylimääräistä ainetta, jonka ennustetaan vievän noin 25% maailmankaikkeudesta, viimeisimpien mittausten perusteella, kutsutaan tummaksi aineeksi. Tähtitieteellisten havaintojen lisäksi kokeiluja maapallolla kuten Kryogeeninen pimeäainehaku (CDMS) yrittävät tarkkailla suoraan pimeää ainetta.
• Tumma energia - Vuonna 1998 tähtitieteilijät yrittivät havaita nopeuden, jolla maailmankaikkeus hidastui... mutta he huomasivat, että se ei hidastunut. Itse asiassa kiihtyvyys nopeutui. Näyttää siltä, ​​että loppujen lopuksi tarvittiin Einsteinin kosmologinen vakio, mutta sen sijaan, että pidettäisiin maailmankaikkeutta Tasapainotilassa näyttää siltä, ​​että se ajaa galaksit toisistaan ​​nopeammin ja nopeammin ajan myötä päällä. Ei tiedetä tarkalleen, mikä aiheuttaa tämän "heijastuneen painovoiman", mutta nimi fyysikot ovat antaneet kyseiselle aineelle on "pimeä energia". Tähtitieteelliset havainnot ennustavat, että tämä tumma energia muodostaa noin 70% maailmankaikkeuden energiasta aine.

On joitain muita ehdotuksia selittää nämä epätavalliset tulokset, kuten modifioitu Newtonin dynamiikka (MOND) ja muuttuva nopeus, mutta näitä vaihtoehtoja pidetään reunateorioina, joita ei hyväksytä monien fyysikkojen keskuudessa ala.

On syytä huomata, että ison bang -teoria kuvaa todellisuudessa maailmankaikkeuden kehitystä pian sen perustamisen jälkeen, mutta ei voi antaa mitään suoraa tietoa sen todellisesta alkuperästä maailmankaikkeus.

Tämä ei tarkoita, että fysiikka ei voi kertoa meille mitään maailmankaikkeuden alkuperästä. Kun fyysikot tutkivat pienintä avaruusastetta, he huomaavat, että kvanttifysiikka johtaa virtuaalisten hiukkasten luomiseen, kuten todistaa Casimirin vaikutus. Itse asiassa inflaatioteoria ennustaa, että ilman mitään ainetta tai energiaa, avaruusaika laajenee. Nimellisarvoisesti tämä antaa tutkijoille siis kohtuullisen selityksen siitä, kuinka maailmankaikkeus voisi alun perin syntyä. Jos olisi totta "mitään", ei väliä, ei energiaa, ei avaruusaikaa, niin mikään ei olisi epävakaa ja alkaa tuottaa ainetta, energiaa ja laajentuvaa avaruusaikaa. Tämä on kirjojen, kuten Suuri muotoilu ja Universumi tyhjästä, joiden mukaan maailmankaikkeus voidaan selittää viittamatta yliluonnolliseen luoja-jumaluuteen.

Olisi vaikea korostaa liikaa kosmologista, filosofista ja ehkä jopa teologista merkitystä, kun tunnustetaan, että maa ei ollut kosmoksen keskipiste. Tässä mielessä kosmologia on yksi varhaisimmista aloista, jotka tuottivat todisteita, jotka olivat ristiriidassa perinteisen uskonnollisen maailmankuvan kanssa. Itse asiassa jokainen kosmologian edistysaskel on näyttänyt lentävän kaikkein rakastetuimpien oletusten edessä, jotka haluaisimme tehdä siitä, kuinka erityinen ihmiskunta on lajina... ainakin kosmologisen historian suhteen. Tämä kohta alkaen Suuri muotoilu mennessä Stephen Hawking ja Leonard Mlodinow kaunopuheisesti esittelee kosmologiasta johtuvan ajattelun muutoksen:

Nicolaus Copernicuksen aurinkokeskuksen heliosentrinen malli tunnustetaan ensimmäisenä vakuuttavana tieteellisenä osoituksena siitä, että me ihmiset eivät ole kosmoksen keskipiste... Ymmärrämme nyt, että Copernicuksen tulos on vain yksi sarjaan sisäkkäisiä mielenosoituksia, jotka syrjäyttävät pitkään pidetyt oletukset ihmiskunnan erityistila: emme ole aurinkokunnan keskellä, emme sijaitse galaksin keskellä, olemme olemme sijoittuneet maailmankaikkeuden keskelle, emme ole edes valmistettu pimeistä aineosista, jotka muodostavat suurimman osan maailman maailmankaikkeuden massa. Tällainen kosminen alentaminen... on esimerkki siitä, mitä tutkijat kutsuvat nyt Kopernikaaniseksi periaatteeksi: asioiden suuressa järjestelmässä kaikki, mitä tiedämme, osoittaa ihmisille, jotka eivät ole etuoikeutetussa asemassa.