Kosmoloogia ja selle mõju mõistmine

Kosmoloogia võib olla keeruline distsipliin, sest see on füüsika õppesuund, mis puudutab paljusid teisi valdkondi. (Ehkki tegelikult puudutavad füüsika õppesuunad tänapäeval üsna palju muid valdkondi.) Mis on kosmoloogia? Mida tegelikult seda uurivad inimesed (nn kosmoloogid) teevad? Milliseid tõendeid on nende töö toetamiseks?

Kosmoloogia on teaduse distsipliin, mis uurib universumi päritolu ja võimalikku saatust. See on kõige tihedamalt seotud astronoomia ja astrofüüsika konkreetsete valdkondadega, ehkki eelmine sajand on ka kosmoloogia viinud tihedalt vastavusse osakeste füüsika peamiste teadmistega.

Teisisõnu jõuame põneva teostuseni:

Meie arusaam tänapäevasest kosmoloogiast tuleneb nende käitumise ühendamisest suurim struktuurid meie universumis (planeedid, tähed, galaktikad ja galaktikaparved) koos väikseim struktuurid meie universumis (põhiosakesed).

Kosmoloogia uurimine on arvatavasti üks vanimaid looduse spekulatiivse uurimise vorme ja see algas mingil ajaloohetkel, kui iidne inimene vaatas taeva poole, esitas ta selliseid küsimusi nagu järgnev:

• Kuidas me siia sattusime?
• Mis toimub öötaevas?
• Kas oleme universumis üksi?
• Mis on need läikivad asjad taevas?

Saad idee.

Muinasaegsed tulid välja mõned üsna head katsed neid selgitada. Nende seas lääne teadustraditsioonis on peamine iidsete kreeklaste füüsika, kes töötas välja kõikehõlmava geotsentrilise universumi mudeli, mida oli sajandite jooksul täpsustatud kuni Ptolemaiose ajani, mil kosmoloogia ei arenenud tegelikult mitu sajandit edasi, välja arvatud mõned üksikasjad kosmoloogia eri komponentide kiiruse kohta süsteem.

Järgmine suurem edasiminek selles valdkonnas tuli Nicolaus Kopernikult 1543. aastal, kui ta avaldas oma surivoodil astronoomiaraamatu (eeldades, et see tekitaks poleemikat katoliku kirikuga), tuues välja tõendid tema heliotsentrilise päikeseenergia mudeli kohta süsteem. Peamine arusaam, mis ajendas seda mõtlemise ümberkujundamist, oli arusaam, et reaalset pole olemas põhjust eeldada, et Maa sisaldab füüsiliselt põhimõtteliselt privilegeeritud positsiooni kosmos. Seda eelduste muutust nimetatakse Koperniku printsiip. Koperniku heliotsentriline mudel sai Tycho Brahe töö põhjal veelgi populaarsemaks ja aktsepteeritumaks, Galileo Galileija Johannes Kepler, kes kogus Kopernika heliotsentrilise mudeli toetuseks olulisi eksperimentaalseid tõendeid.

See oli Sir Isaac Newton kes suutis aga kõik need avastused planeetide liikumisi tegelikult selgitada. Tal oli intuitsioon ja arusaam, et mõista, et maale langevate objektide liikumine sarnaneb Maa ümber tiirlevate objektide liikumisega (sisuliselt kukuvad need objektid pidevalt ümber maa). Kuna see liikumine oli sarnane, mõistis ta, et selle põhjustas tõenäoliselt sama jõud, mida ta kutsus gravitatsioon. Hoolika vaatlusega ja uue matemaatika väljatöötamisega kutsuti kalkulatsioon ja tema kolm liikumisseadust, Suutis Newton luua võrrandid, mis kirjeldasid seda liikumist erinevates olukordades.

Kuigi Newtoni gravitatsiooniseadus töötas taeva liikumise ennustamisel, oli üks probleem... polnud täpselt teada, kuidas see töötab. Teooria pakkus välja, et massiga objektid meelitavad üksteist üle kosmose, kuid Newton ei suutnud välja töötada teaduslikku seletust mehhanismile, mida gravitatsioon selle saavutamiseks kasutas. Selgitamatu seletamiseks tugines Newton üldisele pöördumisele Jumala poole, põhimõtteliselt käituvad objektid selliselt vastusena Jumala täiuslikule kohalolekule universumis. Füüsilise seletuse saamine ootaks üle kahe sajandi, kuni saabub geenius, kelle intellekt võib isegi Newtoni oma varjutada.

Newtoni kosmoloogia domineeris teaduses kuni XX sajandi alguseni, mil Albert Einstein arendas välja oma teooria üldrelatiivsus, mis määratles uuesti teadusliku arusaama gravitatsioonist. Einsteini uues sõnastuses põhjustas gravitatsiooni 4-mõõtmelise kosmoseaja painutamine vastusena massiivse objekti, näiteks planeedi, tähe või isegi galaktika olemasolule.

Selle uue koostise üks huvitavaid tagajärgi oli see, et kosmoseaeg ise ei olnud tasakaalus. Üsna lühikese aja jooksul mõistsid teadlased, et üldrelatiivsus ennustas, et kosmoseaeg kas laieneb või kahaneb. Uskuge, et Einstein uskus, et universum on tegelikult igavene, tutvustas ta a kosmoloogiline konstant teooriasse, mis pakkus paisumisele või kokkutõmbumisele vasturõhku. Kui aga astronoom Edwin Hubble avastas lõpuks, et universum tegelikult laieneb, mõistis Einstein, et on teinud vea ja eemaldas teooriast kosmoloogilise konstandi.

Kui universum laienes, siis on loomulik järeldus, et kui te peaksite universumit tagasi kerima, näeksite, et see pidi algama pisikesest tihedast mateeria tükist. Seda universumi alguse teooriat hakati nimetama Suure Paugu teooriaks. See oli XX sajandi keskkümnendite jooksul vastuoluline teooria, kuna see kujutas endast Fred Hoyle'i domineerimist püsiseisundi teooria. Kosmilise mikrolaine taustkiirguse avastus 1965. aastal kinnitas aga suure pauguga seoses tehtud ennustust, nii et see sai füüsikute seas laialt aktsepteeritud.

Ehkki tal on osutunud püsiseisundi teooria osas valeks, tunnustatakse Hoyle'i teooria peamiste arengutega tähe nukleosüntees, mis on teooria, mille kohaselt vesiniku- ja muud kerged aatomid muutuvad tuumatiiglites tiigriteks kutsutavateks raskemateks aatomiteks ja tähe surma korral sülitatakse universumisse. Seejärel moodustavad need raskemad aatomid vette, planeetidesse ja lõpuks Maakera, sealhulgas inimeste elu! Niisiis, paljude hämmastavate kosmoloogide sõnul oleme kõik moodustatud stardust.

Igatahes, tagasi universumi arengu juurde. Kuna teadlased said universumi kohta rohkem teavet ja määrasid kosmiliste mikrolainete taustkiirgust hoolikamalt, tekkis probleem. Kuna astronoomilised andmed olid detailselt mõõdetud, selgus, et mõisted on kvant füüsika, mis on vajalik tugevama rolli mõistmiseks keskme algfaasis ja arengus universum. See teoreetilise kosmoloogia väli, ehkki endiselt väga spekulatiivne, on kasvanud üsna viljakaks ja seda nimetatakse mõnikord kvantkosmoloogiaks.

Kvantfüüsika näitas universumit, mis oli üsna lähedal energia ja aine ühtlusele, kuid polnud täiesti ühtlane. Igasugused kõikumised varases universumis oleksid aga kõvasti laienenud miljardite aastate jooksul, mille jooksul universum laienes... ja kõikumised olid palju väiksemad, kui võiks arvata. Niisiis pidid kosmoloogid välja mõtlema viisi, kuidas selgitada ebaühtlast varajast universumit, kuid sellist, millel oli ainult äärmiselt väikesed kõikumised.

Sisestage osakestefüüsik Alan Guth, kes tegeles selle probleemiga 1980. Aastal selle arenguga inflatsiooniteooria. Varase universumi kõikumised olid väikesed kvantitatiivsed kõikumised, kuid ülikiire paisumisperioodi tõttu laienesid need varases universumis kiiresti. Astronoomilised vaatlused alates 1980. aastast on toetanud inflatsiooniteooria ennustusi ja see on nüüd enamiku kosmoloogide seas konsensuslik seisukoht.

Ehkki kosmoloogia on viimase sajandi jooksul palju edasi arenenud, on siiski mitmeid avatud saladusi. Tegelikult on kaks kaasaegse füüsika keskset saladust kosmoloogia ja astrofüüsika peamised probleemid:

• Tume aine - mõned galaktikad liiguvad viisil, mida ei saa täielikult selgitada, võttes aluseks aine hulga - mida saab nende sees vaadelda (nimetatakse "nähtavaks materjaliks"), kuid mida saab seletada juhul, kui galaktika. Seda ekstra ainet, mille uusimate mõõtmiste põhjal ennustatakse, et see võtab umbes 25% universumist, nimetatakse tumeaineks. Lisaks astronoomilistele vaatlustele katseid Maal nagu Krüogeensete tumedate ainete otsing (CDMS) üritavad otseselt jälgida tumedat ainet.
• Tume energia - Aastal 1998 üritasid astronoomid tuvastada universumi aeglustumise kiirust... kuid nad leidsid, et see ei aeglustunud. Tegelikult kiirenduskiirus kiirenes. Näib, et lõppude lõpuks oli vaja Einsteini kosmoloogilist konstanti, selle asemel, et hoida universumit a Tasakaalu olukorras näib see ajaga galaktikaid üha kiiremini ja kiiremini eralduvat peal. Pole täpselt teada, mis seda "tõrjuvat gravitatsiooni" põhjustab, kuid füüsikute poolt sellele ainele antud nimi on "tume energia". Astronoomiliste vaatluste kohaselt moodustab see tume energia umbes 70% universumi omast aine.

Nende ebaharilike tulemuste selgitamiseks on veel mõned soovitused, näiteks modifitseeritud Newtoni dünaamika (MOND) ja muutuv kiirus kerge kosmoloogia osas, kuid neid alternatiive peetakse eriteooriateks, mida paljud FÜ füüsikud ei aktsepteeri põld.

Väärib märkimist, et suure paugu teooria kirjeldab tegelikult seda, kuidas universum on sellest ajast alates arenenud varsti pärast selle loomist, kuid ei saa anda otsest teavet programmi tegeliku päritolu kohta universum.

See ei tähenda, et füüsika ei saaks meile universumi päritolu kohta midagi öelda. Kui füüsikud uurivad ruumi väikseimat skaalat, leiavad nad, et kvantfüüsika loob virtuaalseid osakesi, mida tõestab ka Casimiri efekt. Tegelikult ennustab inflatsiooniteooria, et mateeria või energia puudumisel laieneks kosmoseaeg. Nimiväärtuses vaadatuna annab see teadlastele mõistliku selgituse, kuidas universum algul tekkida võis. Kui oleks tõeline "miski", ükskõik, pole energiat, pole kosmoseaega, siis poleks miski ebastabiilne ja see hakkaks genereerima ainet, energiat ja laieneva kosmoseaega. See on selliste raamatute keskne tees nagu Suur kujundus ja Universum mitte millestki, mis väidavad, et universumit saab seletada ilma üleloomuliku looja jumalusele viitamata.

Raske oleks üle rõhutada kosmoloogilist, filosoofilist ja võib-olla isegi teoloogilist tähtsust, kui mõistame, et Maa ei olnud kosmose keskpunkt. Selles mõttes on kosmoloogia üks varasemaid valdkondi, mis andis tõendusmaterjali, mis oli vastuolus traditsioonilise religioosse maailmavaatega. Tegelikult näib, et kosmoloogia iga edasiminek seisab silmitsi kõige hinnatumate eeldustega, mida tahaksime teha selle kohta, kui eriline on inimkond kui liik... vähemalt kosmoloogilise ajaloo osas. See lõik alates Suur kujundus kõrval Stephen Hawking ja Leonard Mlodinow kirjeldab ilukõneliselt kosmoloogiast tulnud mõtlemise muutust:

Nicolaus Copernicuse päikesesüsteemi heliotsentrilist mudelit peetakse esimeseks veenvaks teaduslikuks tõestuseks, et meie, inimesed, ei ole kosmose keskpunkt... Nüüd mõistame, et Copernicuse tulemus on vaid üks pesastunud demotioonide seeriast, mis kukutavad pikaajalised eeldused seoses inimkonna eriline staatus: me ei asu Päikesesüsteemi keskmes, me ei asu galaktika keskmes, me oleme mis ei asu universumi keskmes, pole me isegi valmistatud tumedatest koostisosadest, mis moodustavad valdava enamuse universumi mass. Selline kosmiline alandamine... on näide sellest, mida teadlased nimetavad nüüd Koperniku põhimõtteks: asjade suures plaanis osutab kõik, mida me teame, inimestele, kes ei asu privilegeeritud positsioonil.