Izpratne par kosmoloģiju un tās ietekmi

Kosmoloģija var būt sarežģīta disciplīna, lai to apstrādātu, jo tā ir fizikas studiju joma, kas skar daudzas citas jomas. (Lai gan patiesībā šajās dienās visi fizikas studiju virzieni skar daudzas citas jomas.) Kas ir kosmoloģija? Ko patiesībā dara cilvēki, kas to pēta (ko sauc par kosmologiem)? Kādi pierādījumi ir viņu darba atbalstam?

Kosmoloģija ir zinātnes disciplīna, kas pēta Visuma izcelsmi un iespējamo likteni. Tas ir visciešāk saistīts ar konkrētām astronomijas un astrofizikas jomām, lai gan pagājušais gadsimts arī kosmoloģiju ir cieši saskaņojis ar galvenajām daļiņu fizikas atziņām.

Citiem vārdiem sakot, mēs sasniedzam aizraujošu realizāciju:

Mūsu izpratne par mūsdienu kosmoloģiju rodas, savienojot lielākais struktūras mūsu Visumā (planētas, zvaigznes, galaktikas un galaktiku kopas) kopā ar mazākais struktūras mūsu Visumā (pamatdaļiņas).

Kosmoloģijas izpēte, iespējams, ir viena no vecākajām dabas spekulatīvās izpētes formām, un tā sākās kādā vēstures brīdī, kad senais cilvēks skatījās debesīs, uzdeva tādus jautājumus kā sekojošs:

• Kā mēs šeit ieradāmies?
• Kas notiek nakts debesīs?
• Vai mēs Visumā esam vieni?
• Kas ir tās spīdīgās lietas debesīs?

Jums rodas ideja.

Senie cilvēki nāca klajā ar dažiem diezgan labiem mēģinājumiem tos izskaidrot. Galvenais no tiem rietumu zinātniskajā tradīcijā ir seno grieķu fizika, kurš izstrādāja visaptverošu Visuma ģeocentrisko modeli, kas tika pilnveidots gadsimtiem ilgi līdz Ptolemaja laika brīdim, kurā brīdī kosmoloģija patiešām nav attīstījusies tālāk vairākus gadsimtus, izņemot dažas detaļas par dažādu sistēma.

Nākamais nozīmīgais sasniegums šajā jomā nāca no Nikolaja Kopernika 1543. gadā, kad viņš nāves gultā publicēja savu astronomijas grāmatu (paredzot, ka tas izraisīs strīdus ar katoļu baznīcu), izklāstot pierādījumus par viņa heliocentrisko saules modeli sistēma. Galvenais ieskats, kas motivēja šo pārvērtību domāšanā, bija priekšstats, ka nav īsta iemesls uzskatīt, ka Zeme satur fundamentāli priviliģētu stāvokli fiziskajā stāvoklī kosmoss. Šīs pieņēmumu izmaiņas ir zināmas kā Kopernika princips. Kopernika heliocentriskais modelis kļuva vēl populārāks un pieņemtāks, pamatojoties uz Tycho Brahe darbu, Galileo Galilei, un Johanness Keplers, kurš uzkrāja nozīmīgus eksperimentālus pierādījumus Kopernika heliocentriskā modeļa atbalstam.

Tas bija Sers Īzaks Ņūtons kurš tomēr spēja visus šos atklājumus apvienot, lai faktiski izskaidrotu planētas kustības. Viņam bija intuīcija un ieskats, lai saprastu, ka objektu, kas nokrīt uz zemes, kustība ir līdzīga to objektu kustībai, kas riņķo ap Zemi (būtībā šie objekti nepārtraukti krīt apkārt zeme). Tā kā šī kustība bija līdzīga, viņš saprata, ka to, iespējams, izraisīja tas pats spēks, kuru viņš sauca smagums. Rūpīgi novērojot un izstrādājot jaunu matemātiku sauc aprēķins un viņa trīs kustības likumi, Ņūtons spēja izveidot vienādojumus, kas aprakstīja šo kustību dažādās situācijās.

Lai arī Ņūtona smaguma likums strādāja, lai prognozētu debesu kustību, tomēr bija viena problēma... nebija īsti skaidrs, kā tas darbojas. Teorija ierosināja, ka objekti ar masu piesaista viens otru visā kosmosā, taču Ņūtons nespēja izstrādāt zinātnisku skaidrojumu mehānismam, kuru gravitācija izmantoja, lai to sasniegtu. Lai izskaidrotu neizskaidrojamo, Ņūtons paļāvās uz vispārēju aicinājumu uz Dievu, būtībā objekti šādi rīkojas, reaģējot uz Dieva nevainojamo klātbūtni Visumā. Lai iegūtu fizisku skaidrojumu, jāgaida vairāk nekā divus gadsimtus, līdz ieradīsies ģēnijs, kura intelekts varētu aptumšot pat Ņūtona intelektu.

Ņūtona kosmoloģija zinātnē dominēja līdz divdesmitā gadsimta sākumam, kad Alberts Einšteins izstrādājusi savu teoriju par vispārējā relativitāte, kas no jauna definēja gravitācijas zinātnisko izpratni. Einšteina jaunajā formulējumā smagumu izraisīja četrdimensiju kosmosa laika saliekšana, reaģējot uz masīva objekta, piemēram, planētas, zvaigznes vai pat galaktikas, klātbūtni.

Viena no šīs jaunās formulas interesantām sekām bija tā, ka pats kosmosa laiks nebija līdzsvarā. Diezgan īsā secībā zinātnieki saprata, ka vispārējā relativitāte paredz, ka kosmosa laiks vai nu paplašināsies, vai arī samazināsies. Ticiet, ka Einšteins uzskatīja, ka Visums patiesībā ir mūžīgs, viņš ieviesa a kosmoloģiskā konstante teorijā, kas nodrošināja spiedienu, kas neitralizēja paplašināšanos vai saraušanos. Tomēr, kad astronoms Edvīns Habls galu galā atklāja, ka visums patiesībā paplašinās, Einšteins saprata, ka ir pieļāvis kļūdu, un no teorijas izņēma kosmoloģisko konstanti.

Ja Visums izplestos, tad dabisks secinājums ir tāds, ka, ja jums būtu pret Visumu pretēji, jūs redzētu, ka tam ir jābūt iesāktam mazā, blīvā matērijas sakopā. Šī Visuma sākuma teorija kļuva par Lielā sprādziena teoriju. Šī bija diskutabla teorija divdesmitā gadsimta vidējās desmitgadēs, jo tā cīnījās par pārsvaru pret Freda Hoila līdzsvara stāvokļa teorija. Kosmiskā mikroviļņu fona starojuma atklāšana 1965. gadā tomēr apstiprināja prognozi, kas tika izteikta saistībā ar lielo sprādzienu, tāpēc to plaši pieņēma fiziķi.

Lai gan viņam tika pierādīts, ka nepareizs ir līdzsvara stāvokļa teorija, Hoyle tiek kreditēts ar galvenajiem jaunumiem teorijā zvaigžņu nukleosintēze, kas ir teorija, ka ūdeņraža un citi vieglie atomi kodol tīģelī tiek pārveidoti par smagākiem atomiem, kurus sauc par zvaigznēm, un pēc zvaigznes nāves izspļauj Visumā. Šie smagākie atomi pēc tam nonāk ūdenī, planētās un galu galā dzīvībā uz Zemes, ieskaitot cilvēkus! Tādējādi, pēc daudzu satriecošu kosmologu vārdiem, mēs visi esam veidoti no stardust.

Jebkurā gadījumā, atpakaļ pie Visuma evolūcijas. Kad zinātnieki ieguva vairāk informācijas par Visumu un rūpīgāk izmērīja kosmisko mikroviļņu fona starojumu, radās problēma. Veicot detalizētus astronomisko datu mērījumus, kļuva skaidrs, ka jēdzieni rodas no kvanta fizikai, kas nepieciešama, lai spēlētu spēcīgāku lomu, lai izprastu agrīnās fāzes un attīstību Visums. Šis teorētiskās kosmoloģijas lauks, lai arī joprojām ir ļoti spekulatīvs, ir izaudzis diezgan auglīgs, un to dažreiz sauc par kvantu kosmoloģiju.

Kvantu fizika parādīja Visumu, kas bija gandrīz tuvu enerģijas un matērijas viendabīgumam, bet nebija pilnīgi vienveidīgs. Tomēr visas svārstības agrīnajā Visumā būtu ievērojami paplašinājušās miljardu gadu laikā, kad Visums paplašinājās... un svārstības bija daudz mazākas, nekā varētu gaidīt. Tātad kosmologiem bija jāizdomā veids, kā izskaidrot nevienveidīgu agrīno Visumu, bet tādu, kuram bija tikai ārkārtīgi mazas svārstības.

Ievadiet Alanu Gutu, daļiņu fiziķi, kurš šo problēmu risināja 1980. gadā, attīstot inflācijas teorija. Agrīnā Visuma svārstības bija nelielas kvantu svārstības, bet agrīnajā Visumā tās strauji paplašinājās, pateicoties īpaši ātrajam paplašināšanās periodam. Astronomiskie novērojumi kopš 1980. gada ir atbalstījuši inflācijas teorijas prognozes, un tagad vairumam kosmologu tas ir vienprātības viedoklis.

Lai arī kosmoloģija pēdējā gadsimtā ir daudz progresējusi, joprojām pastāv vairāki atklāti noslēpumi. Faktiski divi no centrālajiem mūsdienu fizikas noslēpumiem ir dominējošās problēmas kosmoloģijā un astrofizikā:

• Tumšais jautājums - dažas galaktikas pārvietojas tādā veidā, ko nevar pilnībā izskaidrot, pamatojoties uz matērijas daudzumu novērota tajās (saukta par "redzamo matēriju"), bet to var izskaidrot, ja galaktika. Šī papildu viela, kas, domājams, aizņem apmēram 25% no Visuma, pamatojoties uz jaunākajiem mērījumiem, tiek saukta par tumšo vielu. Papildus astronomiskajiem novērojumiem, eksperimenti uz Zemes, piemēram, Kriogēna tumšo vielu meklēšana (CDMS) mēģina tieši novērot tumšo vielu.
• Tumšā enerģija - 1998. gadā astronomi mēģināja atklāt Visuma palēnināšanās ātrumu... bet viņi atklāja, ka tas nepalēninās. Faktiski paātrinājums tika paātrināts. Liekas, ka galu galā bija nepieciešama Einšteina kosmoloģiskā konstante, bet tā vietā, lai Visumu turētu kā līdzsvara stāvoklī šķiet, ka laika gaitā galaktikas arvien ātrāk un ātrāk atdalās ieslēgts Nav precīzi zināms, kas izraisa šo “atgrūdošo smagumu”, bet fiziķu vārdi šai vielai ir doti ir "tumšā enerģija". Astronomijas novērojumi paredz, ka šī tumšā enerģija veido apmēram 70% no Visuma enerģijas viela.

Ir daži citi ieteikumi, lai izskaidrotu šos neparastos rezultātus, piemēram, modificētā Ņūtona dinamika (MOND) un mainīgais ātrums gaismas kosmoloģijā, bet šīs alternatīvas tiek uzskatītas par blakusesošām teorijām, kuras daudziem fiziķiem nav pieņemtas lauka.

Ir vērts atzīmēt, ka lielā sprādziena teorija faktiski raksturo to, kā Visums ir attīstījies kopš tā laika neilgi pēc tās izveidošanas, bet nevar sniegt tiešu informāciju par EIT faktisko izcelsmi Visums.

Tas nenozīmē, ka fizika mums neko nevar pateikt par Visuma pirmsākumiem. Kad fiziķi izpēta mazāko kosmosa mērogu, viņi atklāj, ka kvantu fizika rada virtuālas daļiņas, par ko liecina Kazimira efekts. Faktiski inflācijas teorija paredz, ka, ja nebūtu vielas vai enerģijas, kosmosa laiks paplašinātos. Tāpēc, ņemot vērā nominālvērtību, tas zinātniekiem sniedz saprātīgu skaidrojumu tam, kā Visums sākotnēji varētu izveidoties. Ja būtu patiess "nekas", vienalga, nebūtu enerģijas, nebūtu kosmosa laika, tad nekas nebūtu nestabils un sāktu ģenerēt matēriju, enerģiju un paplašinātu kosmosa laiku. Šī ir tādu grāmatu kā Lielais dizains un Universs no nekā, kas norāda, ka Visumu var izskaidrot bez atsauces uz pārdabisko radītāja dievību.

Būtu grūti pārāk uzsvērt kosmoloģisko, filozofisko un varbūt pat teoloģisko nozīmi atzīt, ka Zeme nebija kosmosa centrs. Šajā ziņā kosmoloģija ir viena no agrākajām jomām, kas deva pierādījumus, kas bija pretrunā ar tradicionālo reliģisko pasaules uzskatu. Faktiski šķiet, ka katrs kosmoloģijas sasniegums ir saskāries ar lolotākajiem pieņēmumiem, kurus mēs gribētu izteikt par to, cik īpaša cilvēce ir suga... vismaz kosmoloģiskās vēstures ziņā. Šis fragments no plkst Lielais dizains autors Stīvens Hokings un Leonards Mlodinovs daiļrunīgi izklāsta pārvērtības domāšanā, kas nāk no kosmoloģijas:

Nikolaja Kopernika Saules sistēmas heliocentriskais modelis tiek atzīts par pirmo pārliecinošo zinātnisko pierādījumu tam, ka mēs, cilvēki, neesam kosmosa centrālais punkts... Mēs tagad saprotam, ka Kopernika rezultāts ir tikai viens no ligzdoto demotīvu sērijas, kas apgāž ilgi turētus pieņēmumus par cilvēces īpašais statuss: mēs neatrodamies Saules sistēmas centrā, mēs neatrodamies galaktikas centrā, mēs esam neatrodas Visuma centrā, mēs pat neesam izgatavoti no tumšajām sastāvdaļām, kas veido lielāko daļu Visuma masa. Tāda kosmiska pazemināšana... ir piemērs tam, ko zinātnieki tagad sauc par Kopernika principu: lielajā lietu shēmā viss, ko mēs zinām, norāda uz cilvēkiem, kas neieņem privileģētu stāvokli.