Razumevanje kozmologije in njenega vpliva

Kozmologija je lahko težka disciplina, saj je študijsko področje fizike, ki se dotika številnih drugih področij. (Čeprav se v resnici danes vsa področja študija fizike dotikajo številnih drugih področij.) Kaj je kozmologija? Kaj pravzaprav počnejo ljudje, ki ga preučujejo (imenovani kozmologi)? Kateri dokazi obstajajo v podporo njihovemu delu?

Kozmologija je disciplina znanosti, ki proučuje izvor in morebitno usodo vesolja. Je najbolj povezan s specifičnimi področji astronomije in astrofizike, čeprav je prejšnje stoletje tudi kozmologijo tesno uskladilo s ključnimi spoznanji iz fizike delcev.

Z drugimi besedami, dosežemo fascinantno spoznanje:

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

Študij kozmologije je verjetno ena najstarejših oblik špekulativnega raziskovanja narave in se je začel v nekem trenutku zgodovine, ko je starodavni človek pogledal v nebesa, postavil vprašanja, kot je naslednje:

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

Idejo dobite.

Starodavni so naleteli na nekaj precej dobrih poskusov, da bi to razložili. Glavni izmed njih v zahodni znanstveni tradiciji je fizika starih Grkov, ki je razvil celovit geocentrični model vesolja, ki je bil skozi stoletja izpopolnjen do Ptolomejevega časa, kozmologija se res ni razvijala več stoletij, razen v nekaterih podrobnostih o hitrostih različnih sestavnih delov sistem.

Naslednji večji napredek na tem področju je prišel od Nikolaja Kopernika leta 1543, ko je na smrtni postelji izdal svojo astronomsko knjigo (v pričakovanju, da bo to povzročilo polemiko s Katoliško cerkvijo), ki bo predstavil dokaze za njegov heliocentrični model sonca sistem. Ključni vpogled, ki je motiviral to preobrazbo v razmišljanju, je bil pojem, da ni resničnega razlog za domnevo, da Zemlja vsebuje bistveno privilegiran položaj znotraj fizičnega kozmos. Ta sprememba predpostavk je znana kot Kopernikovo načelo. Kopernikov heliocentrični model je postal še bolj priljubljen in sprejet na podlagi dela Ticha Braheja, Galileo Galilei, in Johannes Kepler, ki je zbrala veliko eksperimentalnih dokazov v podporo kopernicanskemu heliocentričnemu modelu.

Bilo je Sir Isaac Newton ki je lahko vse te odkritje združil v dejansko razlago planetarnih gibanj, pa vendar. Imel je intuicijo in vpogled, da je spoznal, da je gibanje predmetov, ki padejo na zemljo, podobno gibanju predmetov, ki krožijo po Zemlji (v bistvu ti predmeti nenehno padajo naokoli 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 imenovali računanje in njegovega tri zakonitosti gibanja, Newton je lahko ustvaril enačbe, ki so opisovale 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 med seboj privlačijo po vesolju, vendar Newton ni mogel razviti znanstvene razlage za mehanizem, ki ga je gravitacija uporabila za to. Da bi razložil nerazložljivo, se je Newton skliceval na generični apel k Bogu, v bistvu pa se predmeti obnašajo tako kot odgovor na popolno Božjo prisotnost v vesolju. Če bi dobili fizično razlago, bi čakali dve stoletji, do prihoda genija, katerega intelekt bi lahko zasenčil celo Newtonov.

Newtonova kozmologija je prevladovala v znanosti do zgodnjega dvajsetega stoletja, ko Albert Einstein razvil svojo teorijo o splošna relativnost, ki je na novo opredelil znanstveno razumevanje gravitacije. V novi Einsteinovi formulaciji je gravitacija povzročila upogibanje 4-dimenzionalnega vesoljskega časa kot odgovor na prisotnost ogromnega predmeta, kot so planet, zvezda ali celo galaksija.

Ena izmed zanimivih posledic te nove formulacije je bila, da vesoljski čas sam ni bil v ravnovesju. V dokaj kratkem zaporedju so znanstveniki spoznali, da splošna relativnost napoveduje, da se bo vesoljski čas ali razširil ali skrčil. Einstein je verjel, da je vesolje pravzaprav večno, predstavil je kozmološka konstanta v teorijo, ki je zagotavljala pritisk, ki je preprečil širjenje ali krčenje. Ko pa je astronom Edwin Hubble na koncu ugotovil, da se vesolje v resnici širi, je Einstein spoznal, da je naredil napako in iz teorije odstranil kozmološko konstanto.

Če bi se vesolje širilo, bi bil naravni zaključek, da če bi preusmerili vesolje, bi videli, da se je moralo začeti v drobnem, gostem gruščju snovi. Ta teorija o tem, kako se je začelo vesolje, se je imenovala teorija velikega poka. To je bila sporna teorija skozi srednja desetletja dvajsetega stoletja, saj se je zavzemala za prevlado nad Fredom Hoyleom teorija stabilnega stanja. Odkritje sevanja kozmičnega mikrovalovnega ozadja leta 1965 pa je potrdilo napoved, ki je bila narejena v zvezi z velikim praskom, zato je med fiziki postala splošno sprejeta.

Čeprav je bil dokazano napačen glede teorije stabilnega stanja, je Hoyle zaslužen za najpomembnejša dogajanja v teoriji zvezdna nukleosinteza, ki je teorija, da se vodikov in drugi atomi svetlobe v jedrskih lončkih, imenovanih zvezde, pretvorijo v težje atome in po smrti zvezde izpljunejo v vesolje. Ti težji atomi se nato preidejo v vodo, planete in na koncu življenje na Zemlji, vključno s človeki! Tako se po besedah ​​mnogih strahospoštovalnih kozmologov vsi oblikujemo iz zvezdnega prahu.

Kakor koli že, nazaj k evoluciji vesolja. Ko so znanstveniki pridobili več informacij o vesolju in natančneje izmerili sevanje kozmičnega mikrovalovnega ozadja, se je pojavila težava. Ko so bile opravljene podrobne meritve astronomskih podatkov, je postalo jasno, da pojmi iz kvantnega fizika je morala igrati močnejšo vlogo pri razumevanju zgodnjih faz in razvoja vesolje. To področje teoretske kozmologije, čeprav še vedno zelo špekulativno, je postalo precej plodno in ga včasih imenujemo kvantna kozmologija.

Kvantna fizika je pokazala vesolje, ki je bilo skoraj enotno po energiji in materiji, vendar ni bilo povsem enotno. Vendar bi se vsa nihanja v zgodnjem vesolju močno razširila v milijardah let, ko se je vesolje širilo... nihanja pa so bila precej manjša, kot bi lahko pričakovali. Tako so morali kozmologi najti način, kako razložiti neenakomerno zgodnje vesolje, a tisto, ki ga je imelo samo izjemno majhna nihanja.

Vpišite Alana Guth-a, fizika delcev, ki se je leta 1980 lotil tega problema z razvojem teorija inflacije. Nihanja v zgodnjem vesolju so bila manjša kvantna nihanja, vendar so se v ultrazvočnem obdobju širjenja hitro razširila v zgodnjem vesolju. Astronomska opazovanja od leta 1980 podpirajo napovedi teorije o inflaciji in zdaj je večina konzologov konsenzus.

Čeprav je kozmologija v zadnjem stoletju veliko napredovala, je še vedno več odprtih skrivnosti. Pravzaprav sta dve osrednji skrivnosti sodobne fizike prevladujoči problemi kozmologije in astrofizike:

• Temna snov - nekatere galaksije se premikajo na način, ki ga ni mogoče v celoti razložiti glede na količino snovi, ki je znotraj njih (imenovane "vidna snov"), vendar je to mogoče razložiti, če je znotraj galaksija. Ta dodatna snov, ki naj bi po najnovejših meritvah zasedla približno 25% vesolja, se imenuje temna snov. Poleg astronomskih opazovanj so bili poskusi na Zemlji, kot so Kriogeno iskanje temnih snovi (CDMS) poskušajo neposredno opazovati temno snov.
• Temna energija - Leta 1998 so astronomi poskušali zaznati hitrost, s katero se je vesolje upočasnilo... vendar so ugotovili, da se ne upočasni. Pravzaprav je pospeševal hitrost. Zdi se, da je bila Einsteinova kozmološka konstanta navsezadnje potrebna, vendar namesto da bi vesolje držali kot V ravnotežnem stanju se zdi, da galaksije s časom hitreje in hitreje potisnejo narazen naprej. Ni točno znano, kaj povzroča to "odbojno težo", toda ime, ki so ga fiziki dali te snovi je "temna energija." Astronomska opazovanja predvidevajo, da ta temna energija predstavlja približno 70% vesolja snov.

Obstajajo nekateri drugi predlogi, ki pojasnjujejo te nenavadne rezultate, kot so Modified Newtonian Dynamics (MOND) in spremenljiva hitrost lahke kozmologije, vendar te alternative veljajo za obrobne teorije, ki jih med številnimi fiziki niso sprejeli polje.

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

To ne pomeni, da nam fizika ne more povedati ničesar o nastanku vesolja. Ko fiziki raziskujejo najmanjšo lestvico vesolja, ugotovijo, da kvantna fizika povzroči nastanek virtualnih delcev, kar dokazujejo Casimirjev učinek. Pravzaprav inflacijska teorija napoveduje, da bi se vesoljski čas v odsotnosti kakršne koli snovi ali energije razširil. Torej to pomeni, da znanstveniki razumljivo razlagajo, kako bi lahko vesolje začelo nastajati. Če bi bilo resnično "nič", ne glede na nobeno energijo, vesolje, potem nič ne bi bilo nestabilno in bi začeli ustvarjati materijo, energijo in širiti vesoljski čas. To je osrednja teza knjig, kot so Grand Design in Vesolje iz nič, ki trdijo, da je vesolje mogoče razložiti brez sklicevanja na nadnaravno ustvarjalno božanstvo.

Težko bi bilo poudariti kozmološko, filozofsko in morda celo teološko pomembnost spoznanja, da Zemlja ni središče kozmosa. V tem smislu je kozmologija eno najzgodnejših področij, ki je prineslo dokaze, ki so bili v nasprotju s tradicionalnim religioznim svetovnim nazorom. Pravzaprav se zdi, da je vsak napredek v kozmologiji kos najzanimivejšim predpostavkam, ki bi jih radi izrazili o posebnosti človeštva kot vrste... vsaj glede kozmološke zgodovine. Ta odlomek iz Grand Design z Stephen Hawking in Leonard Mlodinow zgovorno predstavi preobrazbo razmišljanja, ki izhaja iz kozmologije:

Heliocentrični model osončja Nikolaja Kopernika Koper je priznan kot prva prepričljiva znanstvena demonstracija, da mi ljudje nismo osrednja točka kozmosa... Zdaj se zavedamo, da je rezultat Kopernika le ena v nizu ugnezdenih predstav, ki so strmoglavile dolgoročne domneve o človekov poseben status: nismo v središču osončja, nismo v središču galaksije, smo ki se ne nahajajo v središču vesolja, niti nismo sestavljeni iz temnih sestavin, ki predstavljajo veliko večino vesoljska masa. Tako kozmično poniževanje... ponazarja tisto, kar znanstveniki zdaj imenujejo kopernikanski princip: v veliki shemi stvari vse, kar vemo, kaže na ljudi, ki nimajo privilegiranega položaja.