Kosmologijos ir jos poveikio supratimas

Kosmologija gali būti sudėtinga disciplina, nes tai yra fizikos studijų sritis, liečianti daugelį kitų sričių. (Nors, tiesą sakant, šiais laikais visos fizikos studijų sritys yra susijusios su daugeliu kitų sričių.) Kas yra kosmologija? Ką iš tikrųjų daro ją studijuojantys žmonės (vadinami kosmologais)? Kokių įrodymų yra jų darbui paremti?

Kosmologija yra mokslo disciplina, tirianti Visatos kilmę ir galimą likimą. Tai labiausiai susijusi su konkrečiomis astronomijos ir astrofizikos sritimis, nors praeitas šimtmetis taip pat suderino kosmologiją su pagrindinėmis dalelių fizikos įžvalgomis.

Kitaip tariant, mes pasiekiame patrauklų supratimą:

Mūsų supratimas apie šiuolaikinę kosmologiją kyla sujungus didžiausias struktūros mūsų Visatoje (planetos, žvaigždės, galaktikos ir galaktikų sankaupos) kartu su mažiausias struktūros mūsų visatoje (pagrindinės dalelės).

Kosmologijos tyrimas, ko gero, yra viena seniausių spekuliatyvių gamtos tyrimų formų, ir jis prasidėjo tam tikru istorijos momentu, kai senovės žmogus žiūrėjo į dangų, uždavinėjo tokius klausimus kaip taip:

• Kaip mes čia atvykome?
• Kas vyksta naktiniame danguje?
• Ar mes vieni visatoje?
• Kas tie blizgantys dalykai danguje?

Jūs gaunate idėją.

Senoliai sugalvojo keletą gerų bandymų tai paaiškinti. Tarp jų Vakarų mokslo tradicijoje svarbiausias yra senovės graikų fizika, kuris sukūrė išsamų geocentrinį visatos modelį, kuris buvo tobulinamas per šimtmečius iki Ptolemėjo laiko, kuriame Kosmologija tikrai nebuvo plėtojama kelis šimtmečius, išskyrus kai kurias detales apie įvairių sistema.

Kitas svarbus žingsnis šioje srityje buvo Nikolajus Kopernikas 1543 m., Kai jis paskelbė savo mirties patale astronomijos knygą (numatydamas, kad tai sukels nesutarimus su Katalikų bažnyčia), pateikdamas įrodymus apie jo heliocentrinį saulės modelį sistema. Pagrindinė įžvalga, paskatinusi šią mąstymo transformaciją, buvo supratimas, kad tikrovės nėra priežastis manyti, kad Žemėje yra iš esmės privilegijuota padėtis fizinėje kosmosas. Šis prielaidų pokytis yra žinomas kaip Koperniko principas. Koperniko heliocentrinis modelis dar labiau išpopuliarėjo ir buvo priimtas remiantis Tycho Brahe darbu, „Galileo Galilei“ir Johanesas Kepleris, kuris sukaupė svarių eksperimentinių įrodymų, pagrindžiančių Koperniko heliocentrinį modelį.

Tai buvo Seras Izaokas Niutonas kuris sugebėjo sujungti visus šiuos atradimus, kad iš tikrųjų paaiškintų planetų judesius. Jis turėjo intuiciją ir įžvalgą, kad suprato, kad į žemę krintančių objektų judesys yra panašus į objektų, skriejančių aplink Žemę, judesį (iš esmės šie objektai nuolat krenta aplink žemė). Kadangi šis judesys buvo panašus, jis suprato, kad jį greičiausiai sukėlė ta pati jėga, kurią jis pašaukė gravitacija. Atidžiai stebint ir kuriant naują matematiką, vadinama skaičiavimas ir jo trys judesio dėsniai, Niutonas sugebėjo sukurti lygtis, apibūdinančias šį judesį įvairiose situacijose.

Nors Niutono gravitacijos dėsnis padėjo numatyti dangaus judesį, buvo viena problema... nebuvo tiksliai aišku, kaip tai veikė. Teorija pasiūlė, kad masės objektai pritraukia vienas kitą per kosmosą, tačiau Niutonas nesugebėjo sukurti mokslinio mechanizmo, kurį gravitacija panaudojo šiam tikslui pasiekti, paaiškinimo. Paaiškindamas nepaaiškinamą, Niutonas rėmėsi bendru kreipiniu į Dievą, iš esmės objektai elgiasi taip, atsakydami į puikų Dievo buvimą visatoje. Norint gauti fizinį paaiškinimą, laukiama daugiau nei du šimtmečius, kol atvyks genijus, kurio intelektas galėtų užtemdyti net Niutono intelektą.

Niutono kosmologija dominavo moksle iki dvidešimtojo amžiaus pradžios, kai Albertas Einšteinas išplėtojo savo teoriją bendrasis reliatyvumas, kuris iš naujo apibrėžė mokslinį sunkio supratimą. Naujoje Einšteino kompozicijoje sunkumą sukėlė 4 matmenų erdvėlaikio lenkimas, reaguojant į masyvų objektą, pavyzdžiui, planetą, žvaigždę ar net galaktiką.

Vienas iš įdomių šios naujos formuluotės padarinių buvo tas, kad pats erdvėlaikis nebuvo pusiausvyroje. Gana trumpai, mokslininkai suprato, kad bendras reliatyvumas numatė, kad erdvės laikas arba plėsis, arba sumažės. Patikėkite, kad Einšteinas tikėjo, kad Visata iš tikrųjų yra amžina, jis pristatė a kosmologinė konstanta į teoriją, kuri pateikė slėgį, neutralizuojantį išsiplėtimą ar susitraukimą. Tačiau kai astronomas Edwinas Hablas galiausiai sužinojo, kad visata iš tikrųjų plečiasi, Einšteinas suprato padaręs klaidą ir pašalino iš teorijos kosmologinę konstantą.

Jei Visata plečiasi, tada natūrali išvada yra, kad jei atsuktumėte Visatą atgal, pamatytumėte, kad ji turėjo prasidėti mažoje, tankioje materijos grupėje. Ši Visatos atsiradimo teorija tapo vadinama Didžiojo sprogimo teorija. Tai buvo prieštaringai vertinama XX amžiaus vidurio dešimtmečių teorija, nes ji domėjosi Fredo Hoyle'o dominavimu. pusiausvyros būsenos teorija. 1965 m. Atradus kosminę mikrobangų foninę radiaciją, vis dėlto patvirtinta prognozė, kuri buvo padaryta dėl didžiojo sprogimo, todėl ji tapo plačiai priimtina fizikų.

Nors buvo įrodyta, kad jis nusistovėjusios būklės teorijoje klysta, Hoyle'as yra įskaitytas į svarbiausius žvaigždžių nukleosintezė, tai yra teorija, kad vandenilio ir kiti lengvieji atomai branduoliniame tiglyje yra paverčiami sunkesniais atomais, vadinamais žvaigždėmis, ir mirus žvaigždei išspjauna į visatą. Tuomet šie sunkesnieji atomai susidaro į vandenį, planetas ir galiausiai gyvybę Žemėje, įskaitant žmones! Taigi, daugelio nuostabių kosmologų žodžiais, mes visi esame suformuoti iš stardust.

Bet kokiu atveju, prie visatos evoliucijos. Kai mokslininkai įgijo daugiau informacijos apie visatą ir atidžiau išmatavo kosminės mikrobangų foninę radiaciją, iškilo problema. Atlikus išsamius astronominių duomenų matavimus, paaiškėjo, kad sąvokos kyla iš kvantų fizikai reikėjo vaidinti stipresnį vaidmenį suprantant ankstyvuosius visata. Šis teorinės kosmologijos laukas, nors vis dar labai spekuliatyvus, išaugo gana derlingai ir kartais vadinamas kvantine kosmologija.

Kvantinė fizika parodė visatą, kuri energijos ir materijos atžvilgiu buvo beveik vienoda, tačiau nebuvo visiškai vienoda. Vis dėlto bet kokie ankstyvosios Visatos svyravimai būtų smarkiai išsiplėtę per milijardus metų, per kuriuos Visata išsiplėtė... ir svyravimai buvo daug mažesni, nei galima būtų tikėtis. Taigi kosmologai turėjo surasti būdą, kaip paaiškinti nevienodą ankstyvąją visatą, bet tokią, kuri turėjo tik ypač maži svyravimai.

Įveskite Alan Guth, dalelių fiziką, kuris šią problemą sprendė 1980 m., Sukūręs infliacijos teorija. Ankstyvosios visatos svyravimai buvo nedideli kvantiniai svyravimai, tačiau ankstyvoje visatoje jie greitai išsiplėtė dėl ypač greito išsiplėtimo laikotarpio. Astronominiai stebėjimai nuo 1980 m. Patvirtino infliacijos teorijos prognozes ir dabar tai yra daugelio kosmologų sutarimas.

Nors kosmologija per pastarąjį šimtmetį labai pažengė į priekį, vis dar yra keletas atvirų paslapčių. Tiesą sakant, dvi pagrindinės šiuolaikinės fizikos paslaptys yra pagrindinės kosmologijos ir astrofizikos problemos:

• Tamsioji materija - Kai kurios galaktikos juda taip, kad jų negalima visiškai paaiškinti atsižvelgiant į tai, kiek yra materijos stebimas jų viduje (vadinamas „matoma materija“), tačiau tai galima paaiškinti, jei galaktika. Remiantis naujausiais matavimais, ši papildoma medžiaga, kuri, kaip prognozuojama, užims apie 25% visatos, vadinama tamsąja medžiaga. Be astronominių stebėjimų, eksperimentai Žemėje, tokie kaip Kriogeninė tamsiosios medžiagos paieška (CDMS) bando tiesiogiai stebėti tamsiąją medžiagą.
• Tamsi energija - 1998 m. Astronomai bandė nustatyti visatos sulėtėjimo greitį... bet jie nustatė, kad tai neskubėjo. Tiesą sakant, pagreitis buvo spartinamas. Atrodo, kad Einšteino kosmologinė konstanta buvo reikalinga, bet užuot laikę Visatą a pusiausvyros būseną, atrodo, kad bėgant laikui galaktikos išlįs vis greičiau apie. Tiksliai nežinoma, kas sukelia šį „atstumiantį sunkumą“, tačiau fizikų vardas suteikė šiai medžiagai pavadinimą yra „tamsi energija“. Astronominiai stebėjimai numato, kad ši tamsi energija sudaro apie 70% visatos medžiaga.

Yra keletas kitų pasiūlymų paaiškinti šiuos neįprastus rezultatus, pavyzdžiui, modifikuota Niutono dinamika (MOND) ir kintamas greitis lengvosios kosmologijos, tačiau šios alternatyvos laikomos kraštutinėmis teorijomis, nepriimtinomis tarp daugelio JAV fizikų laukas.

Verta paminėti, kad didžiojo sprogimo teorija iš tikrųjų apibūdina visatos raidą nuo tada netrukus po jo sukūrimo, tačiau negali suteikti jokios tiesioginės informacijos apie tikrąją visata.

Tai nereiškia, kad fizika mums nieko negali pasakyti apie Visatos kilmę. Kai fizikai tyrinėja mažiausią kosmoso skalę, jie nustato, kad kvantinė fizika sukuria virtualias daleles, tai patvirtina Kazimiero efektas. Tiesą sakant, infliacijos teorija prognozuoja, kad nesant materijos ar energijos, erdvės laikas prailgėtų. Taigi, atsižvelgiant į nominalią vertę, tai mokslininkams suteikia pagrįstą paaiškinimą, kaip iš pradžių galėjo atsirasti visata. Jei būtų tikras „nieko“, nesvarbu, nėra energijos, nėra erdvės laiko, tada niekas nebus nestabilus ir pradės generuoti materiją, energiją ir besiplečiantį erdvės laiką. Tai yra pagrindinė tokių knygų kaip Didysis dizainas ir Visata iš nieko, kuris teigia, kad visata gali būti paaiškinta neminint antgamtinės kūrėjo dievybės.

Sunku būtų per daug pabrėžti kosmologinę, filosofinę ir galbūt net teologinę svarbą pripažįstant, kad Žemė nebuvo kosmoso centras. Šia prasme kosmologija yra viena iš ankstyviausių sričių, davusių įrodymų, prieštaraujančių tradicinei religinei pasaulėžiūrai. Tiesą sakant, kiekviena kosmologijos pažanga atrodė atsižvelgiant į labiausiai puoselėjamas prielaidas, kurias norėtume padaryti, kad ypatinga žmonija būtų rūšis... bent jau kalbant apie kosmologinę istoriją. Ši ištrauka iš Didysis dizainas autorius Stephenas Hawkingas ir Leonardas Mlodinowas iškalbingai išdėsto mąstymo transformaciją, atsiradusią iš kosmologijos:

Nikolajaus Koperniko Saulės sistemos heliocentrinis modelis yra laikomas pirmuoju įtikinamu moksliniu įrodymu, kad mes, žmonės, nesame kosmoso židinys... Dabar mes suprantame, kad Koperniko rezultatas yra tik vienas iš daugybės įterptųjų dempatų, paneigiančių ilgalaikes prielaidas dėl ypatingas žmonijos statusas: mes nesame Saulės sistemos centre, mes nesame galaktikos centre, mes esame ne mes esame Visatos centre, mes net nesame pagaminti iš tamsių ingredientų, sudarančių didžiąją dalį visatos masė. Toks kosminis žeminimas... iliustruoja tai, ką mokslininkai dabar vadina Koperniko principu: didžiojoje dalykų schemoje viskas, ką mes žinome, nukreipta į žmones, neužimančius privilegijuotos padėties.