Kosmoloogia

Kosmoloogia on füüsika seadustel ja astronoomilistel vaatlustel põhinev teadusharu, mis uurib Universumi ehitust ja muutumist. Teaduslik või füüsikaline kosmoloogia sai uurimisobjektiks alates 20. sajandi teisest kolmandikust (Helge Kragh). Kosmoloogiliste mudelite teoreetilised alused on üldrelatiivsusteooria, Friedman ́i mudel, mis järeldus üldrelatiivsusteooriast ja kosmoloogilisest printsiibist, elementaarosakeste teooria. Kosmoloogiliste mudelite vaatuslikud alused on: kosmoloogiline printsiip, Hubble ́i seadus, mikrolaineline foonkiirgus, ürgse heeliumi ja deuteeriumi kontsentratsioon. Kosmologia uurimisteemad on aine tihedus paisuvas universumis, aine tiheduse evolutsioon, universumi piirkondade evolutsioon, universumi (kui terviku) struktuur, ultrarelativistlik olekuvõrrand, universumi horisont, universumi vanuse seos temperatuuriga, negatiivse ja positiivse kõverusega ruum, tumeaine ja tumeenergia jms. Üldrelatiivsusteooria järgi sõltub aegruumi ehitus Universumi ainest. Albert Einstein püüdis seda teooriat kohe kosmoloogias rakendada. Einsteini esimeses kosmoloogilises mudelis (1917) on Universum staatiline, st tema geomeetria on ajast sõltumatu. Et see mudel ei olnud algsete väljavõrranditega kooskõlas, lisas Einstein neile kosmoloogilise konstandi Λ. Hiljem Einstein küll kahetses seda, kuid nüüdseks on olemas sõltumatuid põhjusi selle lisamiseks. 1920. aastatel avastasid Edwin Hubble ja teised punanihke, millest järeldati, et kauged taevakehad eemalduvad meist kiirusega, mis on võrdeline nende kaugusega meist. Seega Universum paisub. 1920. ja 1930. aastatel pakuti välja hulk üldrelatiivsusteoorial põhinevaid kosmoloogilisi mudeleid, mis ennustasid Universumi paisumist. Vaatlusandmetega oli kõige paremini kooskõlas Friedmanni universumiks nimetatav mudelite klass. Neis on ruum homogeenne, seega isotroopne (on kõigis suundades ühesugune). Homogeensuse eeldusest järeldub, et neljamõõtmeline aegruum jaguneb kolmemõõtmelisteks ruumideks, kusjuures igal ruumil on konstantne kõverus. Kui kõverus on null, siis saadakse eukleidiline geomeetria, kui positiivne, siis sfääriline geomeetria, ja kui negatiivne, siis hüperboolne geomeetria. Ühe ruumi geomeetria on teise ruumi geomeetriaga seotud skaalateguri S(t) kaudu. Selleks et saada teada taevakehade paari vahelist kaugust aja t pärast, tuleb praegune kaugus korrutada skaalateguriga. Friedmanni universumi mudelites, mis arvestavad massiivsete objektide olemasoluga Universumis, on ajamuutujal t alamtõke t0, millele lähenemisel ajategur läheneb nullile. Selle väärtuse juures on tegu singulaarsusega, mille kohta mudel midagi ei ütle. Seda singulaarsust nimetatakse Suureks Pauguks. Et need mudelid kirjeldavad Universumi tegelikku struktuuri väga täpselt, siis on mõistlik järeldada, et Universum ei ole alati eksisteerinud. Ent 1950. ja 1960. aastatel oli valdav arvamus, et singulaarsus Friedmanni mudelis tuleneb väärast idealiseerivast eeldusest, et ruum on täiesti homogeenne. Ent Robert Geroch, Stephen Hawking ja Roger Penrose tõestasid singulaarsuse teoreemid, mille järgi peaaegu kõik võimalikud aegruumid on singulaarsusega ning peaaegu kõik kosmoloogilised mudelit kirjeldavad lõpliku vanusega universumit. Aastal 1965 avastati kosmiline mikrolaine-taustkiirgus. Pärast seda sai Suure Paugu mudelist kosmoloogia standardmudel. Kosmoloogiat hakati nimetama ka füüsikaliseks kosmoloogiaks. Aastal 1971 ilmus Jim Peeblesi selle pealkirjaga raamat. Monoteistlike usundite järgi (sealhulgas kristluse, judaismi ja islami järgi on Universumi loonud ja säilitab seda transtsendentne ja kõikvõimas Jumal. 19. sajandi teisel poolel hakati arutama termodünaamika teise seaduse kosmoloogilisi järelmeid seoses kristliku õpetusega maailma ajalisest algusest ja lõpust. Uus arutelu algas 1930. aastatel seoses Universumi paisumise ja võimaliku ajalise alguse avastamisega. Teoloogilist huvi pakkuvate kosmoloogiliste küsimuste seas on järgmised. Miks Universum on olemas? Kas Universumi algusest on möödunud lõplik ajavahemik? Kas Universumile tuleb lõpp? Miks on Universumi evolutsioon ja loodusseadused just niisugused, et mõistusega olendid saavad eksisteerida? Paljud teistid, sealhulgas Pius XII, Francis Collins, William Lane Craig ja Hugh Ross, on pidanud Friedmanni universumit ja singulaarsuse teoreeme kinnituseks kreatsionistlikule väitele, et Jumal lõi Universumi eimillestki. Teism ei nõua iseenesest, et Universum oleks lõpliku vanusega. Aquino Thomase ("De aeternitate mundi") järgi ei saa mõistusega tõestada maailma lõplikku vanust, küll aga Jumala olemasolu, järelikult ei nõua Jumala kui Looja mõiste maailma lõplikku vanust; selle saame teada üksnes ilmutusest. Teoloogide Arthur Peacocke'i ja Ian Barbouri järgi tuleb õpetust maailma loomisest tõlgendada Universumi ajatu sõltuvusena Jumalast. Samal seisukohal on jesuiit ja kosmoloog William Stoeger (2010), kelle väitel saab teaduslik kosmoloogia teoloogiat puhastada, kuid ei saa olla vastuolus teoloogia legitiimsete väidetega. Need teistid, kelle meelest maailm on umbes 6000 aastat vana, (noore Maa kreatsionistid) ei saa kinnitust teadlaste väitest, et Universum on umbes 13,8 miljoni aasta vanune. Kristlasest teist, kes lakkab uskumast Piibli loomisloo sõnasõnalist tõesust, kaotab ühe (ja võib-olla ainsa) põhjendi uskumiseks, et Universum on lõpliku vanusega. Nende teistide jaoks, kes ei loe Piiblist välja Universumi konkreetset vanust, võib Suure Paugu teooria olla pigem loomisloo kinnituseks. Kui maailma loomine eimillestki on ime, mida ei saa loodusseadustega seletada, siis miks peaks teist pöörduma kinnituse saamiseks teaduse poole? Siis võib vabalt olla, et elegantseima teadusliku teooria järgi on maailm lõpmatu vanusega, kuid tegelikult lõi Jumal maailma lõpliku ajavahemiku eest. Kui aga otsida kosmoloogiast mitte loodusseadusi, vaid ajaloolisi andmeid, siis pöördumine kosmoloogia poole mitte seletuse saamiseks, vaid fakti kinnituseks, on asjakohane. Lõplikku aega võib matemaatiliselt vaadelda ka lõpmatuna: vahemik (0, t) on homöomorfne vahemikuga (−∞, t). Homöomorfismi realiseeris Charles Misner, seades ajamuutuja t väärtustele −log t. Misner leidis, et isegi singulaarsusega algavates mudelites "on Universum mõttekalt lõpmata vana, sest pärast algust on juhtunud lõpmata palju asju." Katoliiklik teadusfilosoof Ernan McMullin (1981) märkis võimalust, et lõpliku ja lõpmatu aja eristus on konventsionaalne, ning jõudis järeldusele, et loomist eimiskist ei tule tõlgendada kindla meetrika abil, vaid piirdudes järjestusega: ajal on esimene punkt. Kuid Friedmanni universumis ei ole esimest punkti, samas aga võib igale mudelile esimese punkti lisada Parem sisulise singulaarsuse tunnus on see, et aegruumi mudel sisaldab lõpliku pikkusega geodeetilisi jooni, mis ei ole minevikku pikendatavad. Friedmanni universum rahuldab seda kriteeriumi. Selle kriteeriumi puudused on seotus kindlat tüüpi füüsikaliste mudelitega ning arusaamatus tavainimesele. Üldrelatiivsusteoorial põhinev kosmoloogia ei kehti singulaarsuse ümbruse kohta, kus väga tugeva gravitatsiooni tõttu etendavad olulist rolli kvantefektid, mida see teooria ei arvesta. Kuni puudub relatiivsusteooriat ja kvantmehaanikat ühendav teooria, pole kindel, kas selle järeldused jäävad jõusse. Tavaliselt arvatakse, et Suure Paugu teooria on traditsioonilise teismi suhtes neutraalne või toetab seda, mistõttu ateistid on tavaliselt lihtsalt püüdnud Suurele Paugule toetuvate teoloogide argumente ümber lükata. Mõned ateistid, sealhulgas Adolf Grünbaum ja Quentin Smith, on aga väitnud, et Suure Paugu teooria toetab ateismi. Smith toetub lisaks ka kvantkosmoloogiatele. Üks nende argument on, et Friedmanni universumis ei ole esimest seisundit. Seega puudub seisund, milles Jumal oleks maailma loonud. Teine argument ütleb, et kui pole Suure Paugu eelset aega, siis ei saa rääkida Universumi põhjustamisest. Sellele argumendile vastavad paljud teistid, et Universumi põhjustamine on ajatu. Paljud kvantkosmoloogiad postuleerivad universumite tõenäosusjaotuse, mille järgi saab kindlaks määrata üht või teist tüüpi universumi eksisteerimise tõenäosuse. Meie Universumi taolise universumi eksisteerimise tõenäosus on suur. Seda võib tõlgendada nii, et kvantkosmoloogiad annavad Universumi olemasolule teistlikule seletuse alternatiivse seletuse. Teistid (näiteks Craig (1997), Deltete ja Guy (1997) ning Oppy (1997)) väidavad, et kvantkosmoloogiad räägivad ainult tinglikest tõenäosustest. Quentin Smith (1998) kaitses väidet, et kvantkosmoloogias on jutt tingimatutest tõenäosustest. Raskused kvanttõenäosuste tõlgendamisel tulenevad ka Kocheni-Speckeri teoreemist. Stephen Hawking Jakov Zeldovitš Max Tegmark Eestis on kosmoloogiaga professionaalselt tegelenud Arved Sapar. Kosmoloogia mõisteid Kosmogoonia Universum Astrofüüsika Tumeenergia E. A. Milne, Kinematic Relativity, Oxford: Clarendon Press 1948. Charles Misner. Absolute Zero of Time. – Physical Review, 1969, 186, lk 1328–1333. Charles Misner. Absolute Zero of Time. – Physical Review, 1969, 186, lk 1328–1333, lk 1331. J. Earman. Bangs, Crunches, Whimpers, and Shrieks: Singularities and Acausalities in Relativistic Spacetimes, New York: Oxford University Press 1995. Jim Peebles. Physical Cosmology, 1971 Ernan McMullin. How Should Cosmology Relate to Theology? – A. Peacocke (toim). The Sciences and Theology in the Twentieth Century, Chicago: Notre Dame University Press, 1981, lk 17–57. W. Craig. Hartle-Hawking Cosmology and Atheism. – Analysis, 1997, 57, lk 291–295. R. Deltete, R. Guy. Hartle-Hawking Cosmology and Unconditional Probabilities. – Analysis, 1997, 57, lk 304–315. G. Oppy. On Some Alleged Consequences of ‘The Hartle-Hawking Cosmology’. – Sophia, 1997, 36, lk 84–95. Quentin Smith. Why Steven Hawking's Cosmology Precludes a Creator. – Philo, 1998, 1(1). Veebiversioon D. Kelly. 'Creation and Change: Genesis 1.1–2.4 in the Light of Changing Scientific Paradigms, Ross-shire, Scotland: Mentor (Christian Focus Publications) 2000. Quentin Smith. Problems with John Earman's Attempt to Reconcile Theism with General Relativity. – Erkenntnis, 2000, 52, lk 1–27. J. Byl. God and Cosmos, Carlisle, PA: Banner of Truth Trust 2001. Quentin Smith. Big Bang Cosmology and Atheism: Why the Big Bang is No Help to Theists. – Paul Kurtz (toim). Science and Religion: Are They Compatible?, Prometheus Books 2003, lk 67–72. P. Copan, W. Craig. Creation out of Nothing: A Biblical, Philosophical, and Scientific Exploration, Grand Rapids, MI: Baker Academic 2004. William Stoeger. God, Physics and the Big Bang. – P. Harrison (toim). The Cambridge Companion to Science and Religion, New York: Cambridge University Press 2010, lk 173–189. Kosmoloogia õpik Kosmoloogilisest probleemist – Looming nr.6/1936