Fizik kosmologi

Fizik kosmologi (), salah satu cabang astronomi, merupakan salah satu pengajian struktur berskala besar bagi alam semesta dan mempelajari persoalan-persoalan asas tentang pembentukan danperkembangan. Kosmologi merangkumi pengajian gerakan jasad samawi dan sebab pertama. bagi sejarah manusia, ia juga merupakan cabang metafizik. Kosmologi sebagai sains telah dipelopori oleh prinsip Copernicus, yang menyatakan bahawa jasad samawi mematuhi hukum fizik yang sama seperti di bumi, dan mekanik Newton, yang mula-mula membolehkan kita memahami pergerakan itu. Ia kini dikenali sebagai mekanik samawi. Fizik kosmologi, seperti yang difahami kini, bermula dengan pembangunan teori Albert Einstein terhadap kerelatifan am pada abad kedua puluh dan cerapan astronomi yang lebih baik terhadap objek yang terlampau jauh kini membantu perkembangan bidang ini.

Kemudahan pada abad kedua puluh membolehkan kita untuk mengagak asal-usul alam semesta dan membolehkan saintis menubuhkan teori Letupan Besar sebagai teori kosmologi yang merintis segalanya, yang kini diterima oleh ahli kosmologi sebagai asas kepada teori dan cerapan mereka. Walaupun beberapa orang pengkaji masih memegang kepada kosmologi alternatif, tetapi secara amnya kosmologi profesional bersetuju bahawa Letupan Besar adalah penerangan tebaik bagi cerapa-cerapan terkini. Fizik kosmologi boleh dikatakan berurusan dengan objek terbesar alam semesta (galaksi, gugusan dan supergugus), objek terjauh yang paling awal terbentuk (kuasar) dan alam semesta yang awal, apabila keadaan hampir homogen (letupan besar yang panas, pengembungan kosmik dan sinaran gelombang mikro kosmik latar belakang).

Kosmologi agak luar biasa dalam fizik kerana bergantung kepada ujikaji ahli fizik zarah, dan kajian fenomenologi hingga ke teori tetangsi; dari kajian ahli astrofizik; dari kajian kerelatifan am; dan dari fizik plasma. Maka, kosmologi menyatukan fizik pada struktur terbesar dalam alam semesta hinggalah ke fizik struktur terkecil dalam alam semesta.

Sejarah subjek 

Kosmologi moden berkembang secara seiring di sepanjang landasan teori dan pemerhatian. Pada tahun 1916, Albert Einstein menerbitkan teori kerelatifan amnya, yang memberikan penerangan bersatu tentang graviti sebagai sifat geometri ruang dan masa. Pada masa itu, Einstein percaya kepada alam semesta statik, tetapi mendapati bahawa rumus asal teorinya tidak membenarkannya. Ini kerana jisim yang diedarkan di seluruh alam semesta secara graviti menarik, dan bergerak ke arah satu sama lain dari semasa ke semasa. Walau bagaimanapun, dia menyedari bahawa persamaannya membenarkan pengenalan istilah tetap yang boleh mengatasi daya tarikan graviti pada skala kosmik. Einstein menerbitkan kertas pertamanya mengenai kosmologi relativistik pada tahun 1917, apabila dia menambahkan pemalar kosmologi ini kepada persamaan medannya untuk memaksa mereka memodelkan alam semesta statik. Model Einstein menggambarkan alam semesta statik; ruang adalah terhingga dan tidak terhad (bersamaan dengan permukaan sfera, yang mempunyai kawasan terhingga tetapi tiada tepi). Walau bagaimanapun, model yang dipanggil Einstein ini tidak stabil kepada gangguan kecil—ia akhirnya akan mula mengembang atau mengecut. Ia kemudiannya disedari bahawa model Einstein hanyalah satu daripada set kemungkinan yang lebih besar, yang semuanya konsisten dengan kerelatifan am dan prinsip kosmologi. Penyelesaian kosmologi kerelatifan am ditemui oleh Alexander Friedmann pada awal 1920-an. Persamaannya menerangkan alam semesta Friedmann–Lemaître–Robertson–Walker, yang mungkin mengembang atau mengecut, dan yang geometrinya mungkin terbuka, rata, atau tertutup.

Pada tahun 1910-an, Vesto Slipher (dan kemudiannya  Carl Wilhelm Wirtz) mentafsirkan anjakan merah nebula lingkaran sebagai anjakan Doppler yang menunjukkan bahawa ia telah mengundur dari Bumi. Walau bagaimanapun, sukar untuk menentukan jarak ke objek astronomi. Satu cara ialah membandingkan saiz fizikal objek dengan saiz sudutnya, tetapi saiz fizikal mesti diandaikan untuk melakukan ini. Kaedah lain adalah untuk mengukur kecerahan objek dan menganggap kilauan intrinsik, dari mana jarak boleh ditentukan menggunakan hukum kuasa dua songsang. Disebabkan oleh kesukaran menggunakan kaedah ini, mereka tidak menyedari bahawa nebula sebenarnya adalah galaksi di luar Bima Sakti kita sendiri, dan mereka juga tidak membuat spekulasi tentang implikasi kosmologi. Pada tahun 1927, paderi Roman Katolik Belgium Georges Lemaître secara bebas memperoleh persamaan Friedmann–Lemaître–Robertson–Walker dan mencadangkan, berdasarkan pengunduran nebula lingkaran, bahawa alam semesta bermula dengan "letupan" "atom purba"—yang kemudiannya dipanggil Letupan Besar. Pada tahun 1929, Edwin Hubble menyediakan asas pemerhatian untuk teori Lemaître. Hubble menunjukkan bahawa nebula lingkaran adalah galaksi dengan menentukan jaraknya menggunakan ukuran kecerahan bintang pembolehubah Cepheid. Dia menemui hubungan antara anjakan merah galaksi dan jaraknya. Dia menafsirkan ini sebagai bukti bahawa galaksi sedang mengundur dari Bumi ke setiap arah pada kelajuan yang berkadaran dengan jaraknya. Fakta ini kini dikenali sebagai hukum Hubble, walaupun faktor berangka yang ditemui oleh Hubble yang berkaitan dengan halaju dan jarak pengunduran dimatikan dengan faktor sepuluh, kerana tidak mengetahui tentang jenis pembolehubah Cepheid.

Berdasarkan prinsip kosmologi, hukum Hubble mencadangkan bahawa alam semesta mengembang. Dua penjelasan utama telah dicadangkan untuk pengembangan tersebut. Salah satunya ialah teori Letupan Besar Lemaître, yang dianjurkan dan dibangunkan oleh George Gamow. Penjelasan lain ialah model keadaan mantap Fred Hoyle iaitu jirim baru dicipta apabila galaksi bergerak menjauhi satu sama lain. Dalam model ini, alam semesta adalah lebih kurang sama pada bila-bila masa.

Selama beberapa tahun, sokongan untuk teori ini adalah sama rata. Walau bagaimanapun, bukti pemerhatian mula menyokong idea bahawa alam semesta berkembang daripada keadaan padat panas. Penemuan latar belakang gelombang mikro kosmik pada tahun 1965 memberikan sokongan kuat kepada model Letupan Besar, dan sejak pengukuran tepat latar belakang gelombang mikro kosmik oleh Penjelajah Latar Belakang Kosmik pada awal 1990-an, beberapa ahli kosmologi telah mencadangkan teori lain tentang asal usul dan evolusi kosmos secara serius. Satu akibat daripada ini ialah dalam kerelatifan am piawai, alam semesta bermula dengan ketunggalan, seperti yang ditunjukkan oleh Roger Penrose dan Stephen Hawking pada tahun 1960-an.

Pandangan alternatif untuk memanjangkan model Letupan Besar, mencadangkan alam semesta tidak mempunyai permulaan atau ketunggalan dan usia alam semesta adalah tidak terhingga, telah dikemukakan.

Tenaga kosmos
Unsur kimia paling ringan, terutamanya hidrogen dan helium, dicipta semasa Letupan Besar melalui proses nukleosintesis. Dalam urutan tindak balas nukleosintesis bintang, nukleus atom yang lebih kecil kemudiannya digabungkan menjadi nukleus atom yang lebih besar, akhirnya membentuk unsur kumpulan besi yang stabil seperti besi dan nikel, yang mempunyai tenaga pengikat nuklear tertinggi. Proses bersih menghasilkan pelepasan tenaga kemudian, bermakna selepas Letupan Besar. Tindak balas zarah nuklear sedemikian boleh membawa kepada pelepasan tenaga secara tiba-tiba daripada bintang pembolehubah bencana seperti novae. Keruntuhan graviti jirim ke dalam lubang hitam juga menggerakkan proses yang paling bertenaga, biasanya dilihat di kawasan nuklear galaksi, membentuk kuasar dan galaksi aktif.

Ahli kosmologi tidak dapat menerangkan semua fenomena kosmik dengan tepat, seperti yang berkaitan dengan pengembangan alam semesta yang semakin pantas, menggunakan bentuk tenaga konvensional. Sebaliknya, ahli kosmologi mencadangkan satu bentuk tenaga baru yang dipanggil tenaga gelap yang meresap ke segenap ruang. Satu hipotesis ialah tenaga gelap hanyalah tenaga vakum, komponen ruang kosong yang dikaitkan dengan zarah maya yang wujud disebabkan oleh prinsip ketidakpastian.

Tidak ada cara yang jelas untuk menakrifkan jumlah tenaga di alam semesta menggunakan teori graviti yang diterima secara meluas, kerelatifan am. Oleh itu, ia masih menjadi kontroversi sama ada jumlah tenaga dipelihara dalam alam semesta yang berkembang. Sebagai contoh, setiap foton yang bergerak melalui ruang antara galaksi kehilangan tenaga akibat kesan anjakan merah. Tenaga ini tidak dipindahkan ke mana-mana sistem lain, jadi nampaknya hilang secara kekal. Sebaliknya, sesetengah ahli kosmologi menegaskan bahawa tenaga dipelihara dalam erti kata tertentu; ini mengikut hukum keabadian tenaga.

Bentuk tenaga yang berbeza mungkin menguasai kosmos—zarah relativistik yang dirujuk sebagai sinaran, atau zarah bukan relativistik yang dirujuk sebagai jirim. Zarah relativistik ialah zarah yang jisim rehatnya adalah sifar atau boleh diabaikan berbanding tenaga kinetiknya, dan seterusnya bergerak pada kelajuan cahaya atau sangat dekat dengannya; zarah bukan relativistik mempunyai jisim rehat yang jauh lebih tinggi daripada tenaganya dan oleh itu bergerak lebih perlahan daripada kelajuan cahaya.

Apabila alam semesta mengembang, kedua-dua jirim dan sinaran menjadi cair. Walau bagaimanapun, ketumpatan tenaga sinaran dan jirim mencair pada kadar yang berbeza. Apabila isi padu tertentu mengembang, ketumpatan jisim-tenaga diubah hanya dengan pertambahan isi padu, tetapi ketumpatan tenaga sinaran diubah kedua-duanya oleh pertambahan isi padu dan oleh pertambahan panjang gelombang foton yang membentuknya. Oleh itu tenaga sinaran menjadi bahagian yang lebih kecil daripada jumlah tenaga alam semesta daripada jirim apabila ia mengembang. Alam semesta yang sangat awal dikatakan telah 'dikuasai sinaran' dan sinaran mengawal nyahpecutan pengembangan. Kemudian, apabila tenaga purata setiap foton menjadi kira-kira 10 eV dan lebih rendah, jirim menentukan kadar nyahpecutan dan alam semesta dikatakan 'dikuasai jirim'. Kes perantaraan tidak dikaji dengan baik secara analitikal. Apabila pengembangan alam semesta berterusan, jirim mencair lebih jauh dan pemalar kosmologi menjadi dominan, membawa kepada pecutan dalam pengembangan alam semesta.

Lihat juga

 Tokokan
 Hukum Hubble
 Projek Illustris
 Senarai ahli kosmologi
 Foton
 Ontologi fizik
 Kosmologi kuantum
 Kosmologi tetangsi
 Keluk Putaran Semesta

Rujukan

Bacaan popular

Buku teks
  Cosmology is introduced in the framework of general relativity -- but without the full tensor apparatus, which is presented in the last part of the book. Particularly suitable for an introductory GR course with an emphasis on cosmology.
  Released slightly before the WMAP results, this is the most modern introductory textbook.
 
  A relatively unmathematical textbook.
  An introductory astronomy textbook.
  This is the classic reference for cosmologists.
  An introduction to cosmology without General Relativity
  An introduction to cosmology with a thorough discussion of inflation.
 
  Describes the formation of large-scale structures in detail.
  An introduction with more background on general relativity and quantum field theory than most.
  Peebles' book has a strong historical focus.
  The classic work on large scale structure, in particular the discussion of correlation functions.
 
  An older book, but still a standard reference for a lot of the mathematical formalism.

Pautan luar

Kumpulan
 AstroFind Search - search engine for cosmology and astronomy
 Cambridge Cosmology- from Cambridge University (public home page)
 Cosmology 101 - from the NASA WMAP group
 Center for Cosmological Physics. University of Chicago, Chicago, Illinois.
 Origins, Nova Online - Provided by PBS.

Individu
  Carroll, Sean. "Cosmology Primer". California Institute of Technology.
  Gale, George, "Cosmology: Methodological Debates in the 1930s and 1940s", The Stanford Encyclopedia of Philosophy, Edward N. Zalta (ed.)
 Madore, Barry F., "Level 5 : A Knowledgebase for Extragalactic Astronomy and Cosmology". Caltech and Carnegie. Pasadena, California, USA.
 Tyler, Pat, and Phil Newman "Beyond Einstein". Laboratory for High Energy Astrophysics (LHEA) NASA Goddard Space Flight Center.
  Wright, Ned. "Cosmology tutorial and FAQ". Division of Astronomy & Astrophysics, UCLA.
 Scientific American Magazine (February 2004 Issue) Four Keys to Cosmology About acceleration.

Fizik
 
Kosmologi