A kozmológia és annak hatásának megértése

A kozmológia nehéz tudományág lehet, hogy megbirkózzon vele, mivel a fizika területén ez a tanulmányi terület számos más területet érint. (Bár valójában ezekben a napokban a fizika minden tudományterülete nagyjából más területeket érint.) Mi a kozmológia? Mit csinálnak az azt vizsgáló emberek (kozmológusoknak nevezik)? Milyen bizonyítékok vannak a munkájuk alátámasztására?

Kozmológia a tudomány tudományága, amely megvizsgálja az univerzum eredetét és végsõ sorsát. A legszorosabban kapcsolódik a csillagászat és az asztrofizika konkrét területeihez, bár a múlt század a kozmológiát is szorosan összhangba hozta a részecskefizika alapvető ismereteivel.

Más szavakkal, egy izgalmas megvalósítást érünk el:

A modern kozmológia megértésénél az a, hogy összekapcsoljuk a legnagyobb struktúrák univerzumunkban (bolygók, csillagok, galaxisok és galaxiscsoportok), valamint a legkisebb szerkezetek az univerzumban (alapvető részecskék).

A kozmológia tanulmányozása valószínűleg az egyik legrégebbi formája a spekulatív természetkutatásnak, és megkezdődött A történelem egy pontján, amikor egy ősi ember az ég felé nézett, olyan kérdéseket tett fel, mint a következő:

• Hogyan jöttünk ide?
• Mi történik az éjszakai égbolton?
• Egyedül vagyunk az univerzumban?
• Mik azok a fényes dolgok az égen?

Megkapod az ötletet.

Az ősök néhány nagyon jó kísérlettel találkoztak ezek magyarázatával. Ezek közül a nyugati tudományos hagyományban a legfontosabb a az ókori görögök fizikája, amely az univerzum átfogó geocentrikus modelljét fejlesztette ki, amelyet az évszázadok óta finomítottak Ptolemaiosz idejéig. a kozmológia valójában nem fejlődött tovább évszázadokon keresztül, kivéve a bomlás különböző alkotóelemeinek sebességére vonatkozó részleteket rendszer.

A következő jelentős előrelépés ezen a téren Nicolaus Kopernikusz érkezett 1543-ban, amikor megjelent csillagászati ​​könyve halálos ágyán (feltételezve, hogy ez vitát válthat ki a katolikus egyházzal), felvázolja a napkollektor helikocentrikus modelljének bizonyítékait rendszer. A gondolkodás ezen átalakulásának legfontosabb betekintése az volt a felfogás, hogy nincs valódi ok azt feltételezni, hogy a Föld alapvetően kiváltságos helyzetet tartalmaz a fizikán belül világegyetem. A feltételezéseknek ezt a változását A kopernikusi alapelv. Kopernikusz heliocentrikus modellje még népszerűbbé vált és Tycho Brahe munkája alapján elfogadottá vált, Galileo Galileiés Johannes Kepler, akik jelentős kísérleti bizonyítékokat halmoztak fel a kopernikusi heliocentrikus modell alátámasztására.

Ez volt Sir Isaac Newton aki mindezen felfedezéseket azonban képes volt összehozni a bolygó-mozgások tényleges magyarázatával. Intuíciója és betekintése volt rá, hogy felismerje, hogy a földre eső tárgyak mozgása hasonló a föld körül keringő tárgyak mozgásához (lényegében ezek az objektumok folyamatosan esnek körül a Föld). Mivel ez a mozgás hasonló volt, rájött, hogy valószínűleg ugyanaz az erő okozta, amelyet hívott súly. Gondos megfigyeléssel és az új matematika kifejlesztésével számítás és az ő három mozgási törvény, Newton képes olyan egyenleteket létrehozni, amelyek különféle helyzetekben leírják ezt a mozgást.

Noha Newton gravitációs törvénye az ég mozgásának előrejelzésére működött, volt egy probléma... nem volt teljesen világos, hogy működik. Az elmélet azt javasolta, hogy a tömegű tárgyak vonzzák egymást az űrben, ám Newton nem tudott tudományos magyarázatot kifejleszteni arra a mechanizmusra, amelyet a gravitáció ehhez használt. A megmagyarázhatatlan magyarázata érdekében Newton egy általános Isten-felhívásra támaszkodott, alapvetõen a tárgyak így viselkednek, válaszul Istennek az univerzumban való tökéletes jelenlétére. A fizikai magyarázat megszerzéséhez több mint két évszázad várjon, amíg meg nem érkezik egy olyan zseni, akinek az értelme akár Newtonét is elhomályosíthatja.

Newton kozmológiája a huszadik század elejéig uralta a tudományt, amikor Albert Einstein kifejlesztette a általános relativitáselmélet, amely újradefiniálta a gravitáció tudományos megértését. Einstein új összetételében a gravitációt a négydimenziós téridő hajlítása okozta, ha egy hatalmas tárgy jelenik meg, például egy bolygó, csillag vagy akár galaxis.

Ennek az új összetételnek az egyik érdekes vonása az volt, hogy maga a téridő nem volt egyensúlyban. Meglehetősen rövid sorrendben a tudósok rájöttek, hogy az általános relativitáselmélet azt jósolta, hogy az űridő akár kibővül, akár összehúzódik. Hidd el, hogy Einstein azt hitte, hogy az univerzum valóban örökkévaló kozmológiai állandó az elméletbe, amely nyomást adott, amely ellensúlyozta a tágulást vagy az összehúzódást. Amikor azonban Edwin Hubble csillagász később felfedezte, hogy az univerzum valóban bővül, Einstein rájött, hogy hibát követett el, és eltávolította a kozmológiai állandót az elméletből.

Ha az univerzum tágulna, akkor a természetes következtetés az, hogy ha az univerzumot visszatekernék, láthatnád, hogy egy apró, sűrű anyagcsomóban kezdődött. A világegyetem kezdésének ezt az elméletét Big Bang Theory-nak hívták. Ez a vitatott elmélet volt a huszadik század közepének évtizedein át, mivel Fred Hoyle egyensúlyi állapot elmélet. A kozmikus mikrohullámú háttér-sugárzás 1965-ben történt felfedezése azonban megerősítette a nagyrohammal kapcsolatos előrejelzést, így a fizikusok körében széles körben elfogadták.

Annak ellenére, hogy bebizonyosodott, hogy téved az egyensúlyi állapot elméletében, Hoyle-nak elismerték a csillagok nukleoszintézise, amely az az elmélet, hogy a hidrogén és más könnyű atomok a csillagoknak nevezett nukleáris tégelyekben nehezebb atomokká alakulnak, és a csillag halálakor kilépnek az univerzumba. Ezek a nehezebb atomok ezután vízbe, bolygókba és végül a Föld életévé alakulnak, beleértve az embereket is! Így sok fantasztikus kozmológus szavaival mindannyian stardust képezünk.

Mindenesetre, vissza az univerzum evolúciójához. Mivel a tudósok több információt szereztek az univerzumról, és gondosabban meghatározták a kozmikus mikrohullámú háttér sugárzást, probléma merült fel. A csillagászati ​​adatok részletes mérése után világossá vált, hogy a fogalmak a kvantumból származnak A fizikának erősebb szerepet kell játszania a korai szakaszok és fejlődés megértésében világegyetem. Az elméleti kozmológia e területe, bár még mindig nagyon spekulatív, meglehetősen termékeny lett, és néha kvantum kozmológiának hívják.

A kvantumfizika egy olyan univerzumot mutatott, amely energia és anyag szempontjából közel azonos volt, de nem volt teljesen egységes. A korai világegyetem bármilyen ingadozása azonban nagymértékben kibővült volna az univerzum kibővítésének milliárd éve alatt... és az ingadozások sokkal kisebbek voltak, mint amire számíthatnánk. Tehát a kozmológusoknak ki kellett találniuk a módját, hogy megmagyarázzák egy nem egységes korai világegyetemet, de az egyiknek is volt csak rendkívül kis ingadozások.

Írja be Alan Guthot, a részecskefizikusot, aki 1980-ban a inflációs elmélet. A korai univerzumban bekövetkezett ingadozások kisebb kvantumingadozások voltak, ám a korai univerzumban gyorsan növekedtek, a rendkívül gyors expanziós időszak miatt. A csillagászati ​​megfigyelések 1980 óta támogatták az inflációs elmélet előrejelzéseit, és a legtöbb kozmológus között ez a konszenzus véleménye.

Noha a kozmológia sokat haladt az elmúlt században, még mindig vannak számos nyitott rejtély. Valójában a modern fizika két központi rejtélye a kozmológia és az asztrofizika domináns problémái:

• Sötét anyag - Egyes galaxisok olyan módon mozognak, amelyet nem lehet teljesen megmagyarázni az adott anyagmennyiség alapján megfigyelhetők bennük (úgynevezett "látható anyag"), de ez magyarázható, ha van-e még egy láthatatlan anyag a galaxisban. Ezt az extra anyagot, amely a legfrissebb mérések alapján várhatóan az univerzum kb. 25% -át fogja felvenni, sötét anyagnak nevezik. A csillagászati ​​megfigyelések mellett a Földön végzett kísérletek, például a Kriogén sötét anyag keresés (CDMS) próbálják közvetlenül megfigyelni a sötét anyagot.
• Sötét energia - 1998-ban a csillagászok megpróbálták felfedezni a világegyetem lelassulásának sebességét... de úgy találták, hogy ez nem lassul. Valójában a gyorsulási sebesség felgyorsult. Úgy tűnik, hogy végül is Einstein kozmológiai állandójára volt szükség, hanem ahelyett, hogy az univerzumot a Az egyensúlyi állapot valószínűleg úgy tűnik, hogy az idő múlásával egyre gyorsabban és gyorsabban elbontja a galaxisokat tovább. Pontosan nem ismert, mi okozza ezt a "visszataszító gravitációt", de a fizikusok nevezték ezt az anyagot "sötét energia". A csillagászati ​​megfigyelések szerint ez a sötét energia az univerzum körülbelül 70% -át teszi ki anyag.

Van néhány más javaslat is a szokatlan eredmények magyarázatára, például a módosított Newtonian Dynamics (MOND) és a változó sebesség, de ezeket az alternatívákat béren kívüli elméleteknek tekintik, amelyeket a sok fizikus nem fogad el terület.

Érdemes megjegyezni, hogy a nagy bumm elmélet valójában leírja az univerzum fejlődését azóta röviddel a létrehozása után, de nem adhat közvetlen információt a világegyetem.

Ez nem azt jelenti, hogy a fizika semmit sem mondhat nekünk a világegyetem eredetéről. Amikor a fizikusok felfedezik a legkisebb térbeli skálát, úgy találják, hogy a kvantumfizika virtuális részecskék létrehozását eredményezi, amint azt a Kazimir hatás. Az inflációs elmélet valójában azt jósolja, hogy bármilyen anyag vagy energia hiányában az űridő kibővül. Névértékben tehát ez ésszerű magyarázatot ad a tudósok számára arról, hogy miként alakulhatott ki az univerzum. Ha valódi „semmi” lenne, nem számít, nincs energia, nincs téridő, akkor semmi sem lenne instabil, és anyagot, energiát és növekvő téridőt generál. Ez a könyv olyan központi tézise, ​​mint például A nagy terv és Semmi univerzum, amelyek szerint az univerzum megmagyarázható a természetfeletti alkotó istenségére való hivatkozás nélkül.

Nehéz lenne túl hangsúlyozni a kozmológiai, filozófiai és talán teológiai fontosságát annak felismerésében, hogy a Föld nem volt a kozmosz központja. Ebben az értelemben a kozmológia az egyik legkorábbi terület, amely olyan bizonyítékokat szolgáltatott, amelyek ellentétesek voltak a hagyományos vallási világnézettel. Valójában úgy tűnt, hogy a kozmológia minden előrehaladása a legkedvesebb feltételezésekkel szembesül, amelyeket szeretnénk tenni arról, hogy az emberiség milyen különleges faj... legalább a kozmológiai történelem szempontjából. Ez a rész a A nagy terv által Stephen Hawking és Leonard Mlodinow ékezetesen fogalmazza meg a gondolkodás átalakulását, amely a kozmológiából származott:

Nicolaus Copernicus naprendszerének heliosentrikus modelljét az első meggyőző tudományos bizonyítékként elismerik, hogy mi nem az emberek vagyunk a kozmosz középpontjában... Most rájövünk, hogy a Kopernikusz eredménye csak egy a beágyazott demóciók sorozatából, amelyek meghosszabbítják a régóta fennálló feltételezéseket az emberiség különleges státusza: nem a Naprendszer központjában vagyunk, hanem a galaxis közepén vagyunk, nem az univerzum közepén helyezkednek el, még nem a sötét alapanyagokból is készítünk, amelyek alkotják a világegyetem tömege. Ilyen kozmikus leminősítés... példája annak, amit a tudósok ma a kopernikusi alapelvnek hívnak: a dolgok nagy rendszerében mindent, amit tudunk, az emberek felé mutatunk, akik nem foglalnak el privilegizált helyzetet.