Forståelse af kosmologi og dens virkning

Kosmologi kan være en vanskelig disciplin at få et greb om, da det er et studieretning inden for fysik, der berører mange andre områder. (Selvom sandheden faktisk er, at disse dage stort set alle studier inden for fysik berører mange andre områder.) Hvad er kosmologi? Hvad gør de mennesker, der studerer det (kaldet kosmologer) egentlig? Hvilke beviser findes der til at støtte deres arbejde?

Kosmologi er videnskabens disciplin, der studerer universets oprindelse og eventuelle skæbne. Det er mest beslægtet med de specifikke felter inden for astronomi og astrofysik, skønt det forrige århundrede også har bragt kosmologien tæt på linje med nøgleindsigt fra partikelfysik.

Med andre ord når vi en fascinerende erkendelse:

Vores forståelse af moderne kosmologi kommer fra at forbinde opførsel af største strukturer i vores univers (planeter, stjerner, galakser og galakse klynger) sammen med de i mindste strukturer i vores univers (grundlæggende partikler).

Undersøgelsen af ​​kosmologi er sandsynligvis en af ​​de ældste former for spekulativ undersøgelse af naturen, og den begyndte på et tidspunkt i historien, da et gammelt menneske kiggede mod himlen, stillede spørgsmål som f.eks følge:

• Hvordan kom vi til at være her?
• Hvad sker der på nattehimlen?
• Er vi alene i universet?
• Hvad er de skinnende ting på himlen?

Du får ideen.

De gamle kom med nogle ganske gode forsøg på at forklare disse. Hoved blandt disse i den vestlige videnskabelige tradition er fysik i de gamle grækere, der udviklede en omfattende geocentrisk model af universet, som blev raffineret gennem århundrederne indtil Ptolemaios tid, på hvilket tidspunkt kosmologi udviklede sig virkelig ikke i flere århundreder, undtagen i nogle af detaljerne om hastighederne for de forskellige komponenter i system.

Det næste store fremskridt i dette område kom fra Nicolaus Copernicus i 1543, da han udgav sin astronomibog på sit dødsleje (med forventning om, at det ville skabe kontrovers med den katolske kirke), hvor han redegjorde for bevisene for hans heliocentriske solmodel system. Den vigtigste indsigt, der motiverede denne transformation i tankegangen var forestillingen om, at der ikke var noget reelt grund til at antage, at Jorden indeholder en grundlæggende privilegeret position inden for det fysiske kosmos. Denne ændring i antagelser er kendt som Copernican princip. Copernicus 'heliocentriske model blev endnu mere populær og accepteret på baggrund af Tycho Brahe's arbejde, Galileo Galilei, og Johannes Kepler, der akkumulerede betydelige eksperimentelle beviser til støtte for den kopernikanske heliocentriske model.

Det var Sir Isaac Newton der dog var i stand til at bringe alle disse opdagelser sammen for faktisk at forklare planetbevægelserne. Han havde intuition og indsigt til at indse, at bevægelsen af ​​objekter, der falder til jorden, svarede til bevægelsen af ​​objekter, der kredser om Jorden (i bund og grund falder disse objekter konstant rundt om jorden). Da denne bevægelse var ens, indså han, at den sandsynligvis var forårsaget af den samme styrke, som han kaldte tyngdekraft. Ved omhyggelig observation og udvikling af ny matematik kaldet calculus og hans tre bevægelseslove, Newton var i stand til at skabe ligninger, der beskrev denne bevægelse i forskellige situationer.

Selvom Newtons tyngdelov arbejdede på at forudsige himlenes bevægelse, var der et problem... det var ikke nøjagtigt klart, hvordan det fungerede. Teorien foreslog, at objekter med masse tiltrækker hinanden på tværs af rummet, men Newton var ikke i stand til at udvikle en videnskabelig forklaring på den mekanisme, som tyngdekraften anvendte til at opnå dette. For at forklare det uforklarlige, stod Newton på en generel appel til Gud, grundlæggende opfører objekter denne måde som svar på Guds perfekte tilstedeværelse i universet. At få en fysisk forklaring ville vente over to århundreder, indtil ankomsten af ​​et geni, hvis intellekt kunne formørke selv Newtons.

Newtons kosmologi dominerede videnskaben indtil det tidlige tyvende århundrede, hvor Albert Einstein udviklede sin teori om generel relativitet, som omdefinerede den videnskabelige forståelse af tyngdekraften. I Einsteins nye formulering blev tyngdekraften forårsaget af bøjning af 4-dimensionel rumtid som reaktion på tilstedeværelsen af ​​en massiv genstand, såsom en planet, en stjerne eller endda en galakse.

En af de interessante implikationer af denne nye formulering var, at rumtiden i sig selv ikke var i balance. I relativt kort rækkefølge indså videnskabsmænd, at den generelle relativitet forudsagde, at rumtid enten ville udvide eller sammentrække. Tro Einstein troede, at universet faktisk var evigt, introducerede han en kosmologisk konstant i teorien, som gav et pres, der modvirker ekspansion eller sammentrækning. Da astronom Edwin Hubble til sidst opdagede, at universet faktisk ekspanderede, indså Einstein, at han havde begået en fejl og fjernet den kosmologiske konstant fra teorien.

Hvis universet ekspanderede, er den naturlige konklusion, at hvis du skulle spole universet tilbage, ville du se, at det må være begyndt i en lille, tæt klump af stof. Denne teori om, hvordan universet begyndte, blev kaldt Big Bang Theory. Dette var en kontroversiel teori gennem de midterste årtier i det tyvende århundrede, da det kæmpede for dominans mod Fred Hoyles stabil tilstand teori. Opdagelsen af ​​den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling i 1965 bekræftede imidlertid en forudsigelse, der var foretaget i forhold til big bang, så det blev bredt accepteret blandt fysikere.

Selvom han blev bevist forkert med den faste tilstandsteori, krediteres Hoyle den største udvikling i teorien om stjernenukleosyntesen, som er teorien om, at brint og andre lette atomer omdannes til tungere atomer inden i de nukleare digler, der kaldes stjerner, og spytter ud i universet ved stjernens død. Disse tyngre atomer dannes derefter til vand, planeter og i sidste ende liv på Jorden, inklusive mennesker! Således er vi, i mange urokkelige kosmologers ord, dannet af stardust.

Alligevel tilbage til universets udvikling. Da forskere fik mere information om universet og målte den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling mere omhyggeligt, var der et problem. Efterhånden som der blev foretaget detaljerede målinger af astronomiske data, blev det klart, at begreber fra kvante fysik er nødvendig for at spille en stærkere rolle i forståelsen af ​​de tidlige faser og udvikling af univers. Dette felt af teoretisk kosmologi, selvom det stadig er meget spekulativt, er vokset ret frugtbart og kaldes undertiden kvantekosmologi.

Kvantefysik viste et univers, der var temmelig tæt på at være ensartet i energi og stof, men ikke var helt ens. Imidlertid ville enhver udsving i det tidlige univers have udvidet sig meget i de milliarder af år, som universet ekspanderede... og udsvingene var meget mindre, end man kunne forvente. Så kosmologer måtte finde ud af en måde at forklare et ikke-ensartet tidligt univers, men en der havde kun ekstremt små udsving.

Gå ind i Alan Guth, en partikelfysiker, der tacklede dette problem i 1980 med udviklingen af inflationsteori. Svingningerne i det tidlige univers var mindre kvantefluktuationer, men de ekspanderede hurtigt i det tidlige univers på grund af en ultrahurtig ekspansionsperiode. Astronomiske observationer siden 1980 har understøttet forudsigelserne af inflationsteorien, og det er nu konsensussynet blandt de fleste kosmologer.

Selvom kosmologien er kommet langt frem i det sidste århundrede, er der stadig flere åbne mysterier. Faktisk er to af de centrale mysterier i moderne fysik de dominerende problemer inden for kosmologi og astrofysik:

• Dark Matter - Nogle galakser bevæger sig på en måde, der ikke kan forklares fuldt ud baseret på den mængde stof, der er observeret inden i dem (kaldet "synligt stof"), men som kan forklares, hvis der er en ekstra uset sag inden for galakse. Denne ekstra stof, som forventes at optage omkring 25% af universet, baseret på de nyeste målinger, kaldes mørk stof. Foruden astronomiske observationer, eksperimenter på Jorden som f.eks Cryogenic Dark Matter Search (CDMS) prøver direkte at observere mørkt stof.
• Mørk energi - I 1998 forsøgte astronomer at registrere den hastighed, med hvilket universet blev langsommere... men de fandt ud af, at det ikke aftager. Faktisk var accelerationshastigheden hurtigere. Det ser ud til, at Einsteins kosmologiske konstant trods alt var nødvendig, men i stedet for at holde universet som et i ligevægtstilstand ser det ud til at skubbe galakserne fra hinanden i en hurtigere og hurtigere hastighed, når tiden går på. Det er ukendt nøjagtigt, hvad der forårsager denne "frastødende tyngdekraft", men navnet fysikere har givet det stof er "mørk energi." Astronomiske observationer forudsiger, at denne mørke energi udgør omkring 70% af universets stof.

Der er nogle andre forslag til at forklare disse usædvanlige resultater, såsom Ændret Newtonian Dynamics (MOND) og variabel hastighed af let kosmologi, men disse alternativer betragtes som kanteteorier, der ikke accepteres blandt mange fysikere i Mark.

Det er værd at bemærke, at big bang-teorien faktisk beskriver den måde universet har udviklet sig siden kort efter dens oprettelse, men kan ikke give nogen direkte information om den faktiske oprindelse af univers.

Dette betyder ikke, at fysik ikke kan fortælle os noget om universets oprindelse. Når fysikere udforsker den mindste rumskala, finder de, at kvantefysik resulterer i skabelsen af ​​virtuelle partikler, som det fremgår af Casimir-effekt. Faktisk forudsiger inflationsteorien, at i mangel af noget stof eller energi, så ville rumtiden udvides. Taget til pålydende giver dette derfor forskere en rimelig forklaring på, hvordan universet oprindeligt kunne komme i stand. Hvis der var et ægte "intet", uanset noget, ingen energi, ingen rumtid, så ville intet være ustabilt og ville begynde at generere stof, energi og en ekspanderende rumtid. Dette er den centrale afhandling om bøger som f.eks Den store design og Et univers fra intet, som antyder, at universet kan forklares uden henvisning til en overnaturlig skaberguddom.

Det ville være svært at overvægte den kosmologiske, filosofiske og måske endda teologiske betydning ved at erkende, at Jorden ikke var centrum af kosmos. I denne forstand er kosmologi et af de tidligste felter, der gav bevis, der var i konflikt med det traditionelle religiøse verdensbillede. Faktisk har hvert fremskridt inden for kosmologi syntes at flyve i lyset af de mest værdsatte antagelser, som vi gerne vil gøre om, hvor speciel menneskehed er som en art... i det mindste med hensyn til den kosmologiske historie. Denne passage fra Den store design ved Stephen Hawking og Leonard Mlodinow veltalende fastlægger den transformation i tankegang, der er kommet fra kosmologi:

Nicolaus Copernicus 'heliocentriske model af solsystemet anerkendes som den første overbevisende videnskabelige demonstration af, at vi mennesker ikke er omdrejningspunktet for kosmos... Vi er nu klar over, at Copernicus 'resultat kun er en af ​​en række indlejrede demotioner, der vælter langvarige antagelser om menneskehedens særlige status: vi er ikke placeret i midten af ​​solsystemet, vi er ikke placeret i midten af ​​galaksen, vi er ikke placeret i centrum af universet, er vi ikke engang lavet af de mørke ingredienser, der udgør det store flertal af universets masse. Sådan kosmisk nedgradering... eksemplificerer, hvad videnskabsmænd nu kalder det kopernikanske princip: i det store skema med ting peger alt, hvad vi ved, mod mennesker, der ikke har en privilegeret position.