Forstå kosmologi og dens innvirkning

En tidslinje for universets historie. (juni 2009). NASA / WMAP Science Team

Kosmologi kan være en vanskelig disiplin å få tak i, da det er et fagområde innen fysikk som berører mange andre områder. (Selv om, i sannhet, i disse dager berører stort sett alle studieretninger innen fysikk mange andre områder.) Hva er kosmologi? Hva gjør egentlig menneskene som studerer det (kalt kosmologer)? Hvilke bevis er det for å støtte arbeidet deres?

Kosmologi med et blikk

Kosmologi er vitenskapsdisiplinen som studerer universets opprinnelse og skjebne. Det er nærmest knyttet til de spesifikke feltene astronomi og astrofysikk, selv om det forrige århundre også har brakt kosmologi tett i tråd med nøkkelinnsikter fra partikkelfysikk.

Med andre ord når vi en fascinerende erkjennelse:

Vår forståelse av moderne kosmologi kommer fra å koble oppførselen til størst strukturer i universet vårt (planeter, stjerner, galakser og galaksehoper) sammen med strukturene i minste strukturer i universet vårt (fundamentalpartikler).

Kosmologiens historie

Studiet av kosmologi er sannsynligvis en av de eldste formene for spekulativ undersøkelse av naturen, og den begynte på et tidspunkt i historien da et gammelt menneske så mot himmelen, stilte spørsmål som følgende:

• Hvordan kom vi til å være her?
• Hva skjer på nattehimmelen?
• Er vi alene i universet?
• Hva er de skinnende tingene på himmelen?

Du skjønner ideen.

De gamle kom med noen ganske gode forsøk på å forklare disse. Sjefen blant disse i den vestlige vitenskapelige tradisjonen er fysikk til de gamle grekerne , som utviklet en omfattende geosentrisk modell av universet som ble raffinert gjennom århundrene frem til Ptolemaios tid, på hvilket tidspunkt kosmologien egentlig ikke utviklet seg videre på flere århundrer, bortsett fra i noen av detaljene om hastighetene til de forskjellige komponentene i systemet.

Det neste store fremskrittet på dette området kom fra Nicolaus Copernicus i 1543, da han publiserte sin astronomibok på dødsleiet (i påvente av at det ville føre til kontroverser med den katolske kirke), som skisserte bevisene for hans heliosentriske modell av solsystemet. Nøkkelinnsikten som motiverte denne transformasjonen i tenkning var forestillingen om at det ikke var noen reell grunn til å anta at Jorden inneholder en fundamentalt privilegert posisjon i det fysiske kosmos. Denne endringen i forutsetninger er kjent som Kopernikansk prinsipp . Copernicus 'heliosentriske modell ble enda mer populær og akseptert basert på arbeidet til Tycho Brahe, Galileo Galilei , og Johannes Kepler , som samlet betydelige eksperimentelle bevis til støtte for den kopernikanske heliosentriske modellen.

Det var Sir Isaac Newton som imidlertid var i stand til å bringe alle disse oppdagelsene sammen til å faktisk forklare planetbevegelsene. Han hadde intuisjonen og innsikten til å innse at bevegelsen til objekter som faller til jorden var lik bevegelsen til objekter som kretser rundt jorden (i hovedsak faller disse objektene kontinuerlig rundt jorden). Siden denne bevegelsen var lik, innså han at den sannsynligvis var forårsaket av den samme kraften, som han kalte gravitasjon . Ved nøye observasjon og utvikling av ny matematikk kalt kalkulus og hans tre bevegelseslover , var Newton i stand til å lage ligninger som beskrev denne bevegelsen i en rekke situasjoner.

Selv om Newtons tyngdelov fungerte for å forutsi himmelens bevegelse, var det ett problem ... det var ikke helt klart hvordan det fungerte. Teorien foreslo at objekter med masse tiltrekker hverandre over hele rommet, men Newton var ikke i stand til å utvikle en vitenskapelig forklaring på mekanismen som tyngdekraften brukte for å oppnå dette. For å forklare det uforklarlige, stolte Newton på en generisk appell til Gud, i utgangspunktet oppfører objekter seg på denne måten som svar på Guds perfekte tilstedeværelse i universet. Å få en fysisk forklaring ville vente i over to århundrer, til ankomsten av et geni hvis intellekt kunne formørke til og med Newtons.

Generell relativitetsteori og Big Bang

Newtons kosmologi dominerte vitenskapen frem til begynnelsen av det tjuende århundre da Albert Einstein utviklet sin teori om generell relativitetsteori , som redefinerte den vitenskapelige forståelsen av tyngdekraften. I Einsteins nye formulering ble tyngdekraften forårsaket av bøyningen av 4-dimensjonal romtid som svar på tilstedeværelsen av et massivt objekt, for eksempel en planet, en stjerne eller til og med en galakse.

En av de interessante implikasjonene av denne nye formuleringen var at romtiden i seg selv ikke var i likevekt. På ganske kort rekkefølge innså forskerne at generell relativitet spådde at romtiden enten ville utvide seg eller trekke seg sammen. Tror Einstein trodde at universet faktisk var evig, introduserte han en kosmologisk konstant i teorien, som ga et trykk som motvirket utvidelsen eller sammentrekningen. Men da astronomen Edwin Hubble til slutt oppdaget at universet faktisk utvidet seg, innså Einstein at han hadde gjort en feil og fjernet den kosmologiske konstanten fra teorien.

Hvis universet utvidet seg, så er den naturlige konklusjonen at hvis du skulle spole tilbake universet, ville du se at det må ha begynt i en liten, tett klump av materie. Denne teorien om hvordan universet begynte ble kalt Big Bang Theory. Dette var en kontroversiell teori gjennom de midtre tiårene av det tjuende århundre, da den kjempet om dominans mot Fred Hoyles steady state teori . Oppdagelsen av den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen i 1965 bekreftet imidlertid en forutsigelse som var kommet i forhold til big bang, så den ble allment akseptert blant fysikere.

Selv om det ble bevist at han tok feil angående steady state-teorien, får Hoyle æren for den viktigste utviklingen i teorien om stjernenukleosyntese , som er teorien om at hydrogen og andre lette atomer omdannes til tyngre atomer i kjernediglene som kalles stjerner, og spyttes ut i universet ved stjernens død. Disse tyngre atomene formes deretter til vann, planeter og til slutt liv på jorden, inkludert mennesker! Derfor, med ordene til mange forbløffede kosmologer, er vi alle dannet av stjernestøv.

Uansett, tilbake til universets utvikling. Etter hvert som forskere fikk mer informasjon om universet og mer nøye målte den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen, var det et problem. Etter hvert som det ble tatt detaljerte målinger av astronomiske data, ble det klart at konsepter fra kvantefysikk trengte å spille en sterkere rolle i å forstå de tidlige fasene og utviklingen av universet. Dette feltet av teoretisk kosmologi, selv om det fortsatt er svært spekulativt, har vokst seg ganske fruktbart og kalles noen ganger kvantekosmologi.

Kvantefysikk viste et univers som var ganske nær ved å være ensartet i energi og materie, men som ikke var helt ensartet. Imidlertid ville eventuelle fluktuasjoner i det tidlige universet ha utvidet seg kraftig i løpet av de milliarder av år som universet utvidet seg ... og svingningene var mye mindre enn man kunne forvente. Så kosmologer måtte finne ut en måte å forklare et ikke-uniformt tidlig univers, men en som hadde bare ekstremt små svingninger.

Skriv inn Alan Guth, en partikkelfysiker som taklet dette problemet i 1980 med utviklingen av inflasjonsteori . Svingningene i det tidlige universet var mindre kvantesvingninger, men de utvidet seg raskt i det tidlige universet på grunn av en ultrarask ekspansjonsperiode. Astronomiske observasjoner siden 1980 har støttet spådommene til inflasjonsteorien, og det er nå konsensussynet blant de fleste kosmologer.

Mysterier i moderne kosmologi

Selv om kosmologien har utviklet seg mye i løpet av det siste århundret, er det fortsatt flere åpne mysterier. Faktisk er to av de sentrale mysteriene i moderne fysikk de dominerende problemene i kosmologi og astrofysikk:

• Mørk materie - Noen galakser beveger seg på en måte som ikke kan forklares fullt ut basert på mengden materie som er observert i dem (kalt 'synlig materie'), men som kan forklares hvis det er en ekstra usett materie i galaksen. Denne ekstra materien, som er spådd å ta opp omtrent 25 % av universet, basert på de siste målingene, kalles mørk materie. I tillegg til astronomiske observasjoner, eksperimenter på jorden som f.eks Cryogenic Dark Matter Search (CDMS) prøver å observere mørk materie direkte.
• Mørk energi - I 1998 forsøkte astronomer å oppdage hastigheten universet ble bremset med ... men de fant ut at det ikke ble bremset. Faktisk ble akselerasjonshastigheten øket. Det ser ut til at Einsteins kosmologiske konstant var nødvendig tross alt, men i stedet for å holde universet som en likevektstilstand ser det faktisk ut til å skyve galaksene fra hverandre i en raskere og raskere hastighet ettersom tiden går. Det er ukjent nøyaktig hva som forårsaker denne 'frastøtende tyngdekraften', men navnet fysikere har gitt det stoffet er 'mørk energi.' Astronomiske observasjoner spår at denne mørke energien utgjør omtrent 70 % av universets substans.

Det er noen andre forslag for å forklare disse uvanlige resultatene, for eksempel Modified Newtonian Dynamics (MOND) og variabel lyshastighetskosmologi, men disse alternativene regnes som utkantsteorier som ikke er akseptert blant mange fysikere på feltet.

Universets opprinnelse

Det er verdt å merke seg at big bang-teorien faktisk beskriver måten universet har utviklet seg siden kort tid etter at det ble opprettet, men kan ikke gi noen direkte informasjon om universets faktiske opprinnelse.

Dette er ikke å si at fysikk ikke kan fortelle oss noe om opprinnelsen til universet. Når fysikere utforsker den minste skalaen av rom, finner de ut at kvantefysikk resulterer i dannelsen av virtuelle partikler, som bevist av Casimir-effekt . Faktisk forutsier inflasjonsteori at i fravær av materie eller energi, vil romtiden utvide seg. Sett for pålydende gir dette derfor forskere en fornuftig forklaring på hvordan universet i utgangspunktet kunne bli til. Hvis det fantes et sant 'ingenting', uansett, ingen energi, ingen romtid, så ville ingenting være ustabilt og ville begynne å generere materie, energi og en ekspanderende romtid. Dette er den sentrale oppgaven i bøker som f.eks Det store designet og Et univers fra ingenting , som hevder at universet kan forklares uten referanse til en overnaturlig skaperguddom.

Menneskehetens rolle i kosmologi

Det ville være vanskelig å understreke den kosmologiske, filosofiske og kanskje til og med teologiske betydningen av å erkjenne at Jorden ikke var sentrum av kosmos. I denne forstand er kosmologi et av de tidligste feltene som ga bevis som var i konflikt med det tradisjonelle religiøse verdensbildet. Faktisk har hvert fremskritt innen kosmologi sett ut til å fly i møte med de mest kjære antakelsene vi ønsker å gjøre om hvor spesiell menneskeheten er som art ... i det minste når det gjelder kosmologisk historie. Denne passasjen fra Det store designet av Stephen Hawking og Leonard Mlodinow beskriver veltalende transformasjonen i tenkning som har kommet fra kosmologi:

Nicolaus Copernicus' heliosentriske modell av solsystemet er anerkjent som den første overbevisende vitenskapelige demonstrasjonen av at vi mennesker ikke er samlingspunktet i kosmos .... Vi innser nå at Copernicus' resultat bare er ett av en rekke nestede degraderinger som velter lenge - holdt forutsetninger angående menneskehetens spesielle status: vi er ikke i sentrum av solsystemet, vi er ikke i sentrum av galaksen, vi er ikke i sentrum av universet, vi er ikke engang laget av de mørke ingrediensene som utgjør det store flertallet av universets masse. En slik kosmisk nedgradering ... eksemplifiserer det forskerne nå kaller det kopernikanske prinsippet: i den store sammenhengen peker alt vi vet mot at mennesker ikke inntar en privilegert posisjon.