Wetenskap Kosmologie en Astrofisika
Kosmologie kan 'n moeilike dissipline wees om 'n handvatsel aan te pak, aangesien dit 'n vakgebied in fisika is wat op baie ander gebiede raak. (Alhoewel, in die waarheid, deesdae, is feitlik alle studierigtings binne fisika op baie ander gebiede aanraak.) Wat is kosmologie? Wat doen die mense wat dit bestudeer (kosmoloë genoem) eintlik? Watter bewyse is daar om hul werk te ondersteun?
Kosmologie in 'n oogopslag
Kosmologie is die dissipline van wetenskap wat die oorsprong en uiteindelike lot van die heelal bestudeer.
Dit is die naaste verwant aan die spesifieke velde van sterrekunde en astrofysica, alhoewel die vorige eeu ook die kosmologie nou in lyn gebring het met die sleutel insigte van deeltjiefisika.
Met ander woorde, ons bereik 'n fassinerende besef:
Ons begrip van die moderne kosmologie kom uit die koppeling van die gedrag van die grootste strukture in ons heelal (planete, sterre, sterrestelsels en sterrestelselgroepe) saam met dié van die kleinste strukture in ons heelal (fundamentele deeltjies).
Geskiedenis van kosmologie
Die studie van kosmologie is waarskynlik een van die oudste vorme van spekulatiewe ondersoek na die natuur, en dit het op een of ander stadium in die geskiedenis begin toe 'n ou mens na die hemel gekyk het, vrae soos die volgende gevra:
Wat gebeur in die naghemel?
Is ons alleen in die heelal?
Wat is daardie blink dinge in die lug?
Die oudstes het opgetree met 'n paar goeie pogings om dit te verduidelik.
Hoof onder hierdie in die Westerse wetenskaplike tradisie is die fisika van die antieke Grieke , wat 'n omvattende geokentriese model van die heelal ontwikkel het wat oor die eeue tot die tyd van Ptolemeus verfy was. Op daardie stadium het kosmologie eintlik nie vir eeue lank verder ontwikkel nie , behalwe in sommige van die besonderhede oor die spoed van die verskillende komponente van die stelsel.
Die volgende groot voorskot op hierdie gebied het van Nicolaus Copernicus in 1543 gekom toe hy sy sterrekundeboek op sy sterfbed gepubliseer het (in die vooruitsig dat dit 'n kontroversie met die Katolieke Kerk sou veroorsaak), waarin die bewyse vir sy heliocentriese model van die sonnestelsel beskryf word. Die belangrikste insig wat hierdie transformasie in gedagte gehad het, was die idee dat daar geen werklike rede was om aan te neem dat die aarde 'n fundamentele bevoorregte posisie in die fisiese kosmos bevat nie. Hierdie verandering in aannames staan ​​bekend as die Copernican Principle . Copernicus se helio-sentriese model het selfs meer gewild geword en aanvaar op grond van die werk van Tycho Brahe, Galileo Galilei , en Johannes Kepler , wat aansienlike eksperimentele bewyse opgewek het ter ondersteuning van die Copernican-heliosentriese model.
Dit was Sir Isaac Newton wat al hierdie ontdekkings kon saambring om die planetary motions eintlik te verduidelik. Hy het die intuïsie en insig gehad om te besef dat die beweging van voorwerpe wat op die aarde val, soortgelyk is aan die beweging van voorwerpe wat die Aarde omring (in wese bly hierdie voorwerpe voortdurend om die Aarde). Aangesien hierdie mosie soortgelyk was, het hy besef dit is waarskynlik veroorsaak deur dieselfde krag, wat hy swaartekrag noem .
Deur noukeurige waarneming en die ontwikkeling van 'n nuwe wiskunde genoem Calculus en sy drie bewegingswette , kon Newton vergelykings skep wat hierdie beweging in verskillende situasies beskryf het.
Alhoewel Newton se swaartepunt gewerk het om die beweging van die hemel te voorspel, was daar een probleem ... dit was nie presies duidelik hoe dit werk nie. Die teorie het voorgestel dat voorwerpe met massa mekaar oor die ruimte aantrek, maar Newton kon nie 'n wetenskaplike verduideliking ontwikkel vir die meganisme wat swaartekrag gebruik het om dit te bereik nie. Om die onverklaarbare te verklaar, het Newton staatgemaak op 'n generiese oproep tot God - basies, doen voorwerpe op hierdie manier in reaksie op God se volmaakte teenwoordigheid in die heelal. Om 'n fisiese verduideliking te kry, sal oor twee eeue wag tot die aankoms van 'n genie wie se verstand selfs dié van Newton kan verduister.
Moderne Kosmologie: Algemene Relatiwiteit en die Groot Bang
Newton se kosmologie het wetenskap tot die vroeë twintigste eeu oorheers toe Albert Einstein sy teorie van algemene relatiwiteit ontwikkel het , wat die wetenskaplike begrip van swaartekrag herdefinieer het. In Einstein se nuwe formulering is swaartekrag veroorsaak deur die buiging van 4-dimensionele ruimtetyd in reaksie op die teenwoordigheid van 'n massiewe voorwerp, soos 'n planeet, 'n ster of selfs 'n sterrestelsel.
Een van die interessante implikasies van hierdie nuwe formulering was dat ruimtetyd self nie in ewewig was nie. In redelike kort volgorde het wetenskaplikes besef dat algemene relatiwiteit voorspel het dat spasie tyd sou uitbrei of kontrakteer. Glo Einstein het geglo dat die heelal eintlik ewig was, het hy 'n kosmologiese konstante in die teorie voorgestel, wat 'n druk gegee het wat die uitbreiding of sametrekking teenwerk. Toe sterrekundige Edwin Hubble egter uiteindelik ontdek het dat die heelal feitlik uitbrei, het Einstein besef dat hy 'n fout gemaak het en die kosmologiese konstante van die teorie verwyder het.
As die heelal uitgebrei het, dan is die natuurlike gevolgtrekking dat as jy die heelal sou terugspoel, sou jy sien dat dit in 'n klein, digte klomp materie moes begin het. Hierdie teorie van hoe die heelal begin het, word die Big Bang-teorie genoem. Dit was 'n kontroversiële teorie deur middel van die dekade van die twintigste eeu, aangesien dit die oorheersing van Fred Hoyle se bestendige staatsteorie beywer het . Die ontdekking van die kosmiese mikrogolf-agtergrondstraling in 1965 het egter 'n voorspelling wat in verband met die grootvinger gemaak is, bevestig, en dit word algemeen onder fisici aanvaar.
Alhoewel hy verkeerd bewys is van die bestendige toestandsteorie, word Hoyle gekrediteer met die belangrikste ontwikkelings in die teorie van sterre-nukleosintese , wat die teorie is dat waterstof en ander ligatome omskep word in swaarder atome binne die kernkruisings genoem sterre, en spoeg uit in die heelal op die ster se dood. Hierdie swaar atome gaan dan voort om te vorm in water, planete en uiteindelik lewe op aarde, insluitend mense! Dus, in die woorde van baie woedende kosmoloë, is ons almal gevorm van sterre.
In elk geval, terug na die evolusie van die heelal. Soos wetenskaplikes meer inligting oor die heelal gekry het en die kosmiese mikrogolf agtergrondstraling meer noukeurig gemeet het, was daar 'n probleem. Soos gedetailleerde metings van astronomiese data geneem is, het dit duidelik geword dat konsepte uit kwantumfisika 'n sterker rol moes speel om die vroeë fases en evolusie van die heelal te verstaan. Hierdie veld van teoretiese kosmologie, hoewel steeds hoogs spekulatiewe, het baie vrugbaar geword en word soms kwantumkosmologie genoem.
Kwantumfisika het 'n heelal gewys wat amper naby aan uniform in energie en materie was maar nie heeltemal uniform nie. Enige skommelinge in die vroeë heelal sou egter grootliks oor die miljoene jare uitgebrei het wat die heelal uitgebrei het ... en die skommelinge was baie kleiner as wat mens sou verwag. Dus moes kosmoloë 'n manier uitvind om 'n nie-uniforme vroeë heelal te verduidelik, maar een wat slegs uiters klein skommelinge het.
Gee Alan Guth, 'n deeltjiefisikus wat hierdie probleem in 1980 aangepak het met die ontwikkeling van inflasieteorie . Die skommelinge in die vroeë heelal was klein kwantumskommelings, maar hulle het vinnig uitgebrei in die vroeë heelal weens 'n ultra vinnige tydperk van uitbreiding. Sterrekundige waarnemings sedert 1980 het die voorspellings van die inflasieteorie ondersteun en dit is nou die konsensusbeeld onder die meeste kosmoloë.
Geheimenisse van die moderne kosmologie
Alhoewel kosmologie oor die afgelope eeu baie gevorder het, is daar nog verskeie oop geheimenisse. Trouens, twee van die sentrale raaisels in moderne fisika is die dominante probleme in kosmologie en astrofisika:
Donker Materie - Sommige sterrestelsels beweeg op 'n manier wat nie volledig verklaar kan word nie, gebaseer op die hoeveelheid materie wat in hulle waargeneem word (genoem "sigbare materie"), maar wat verklaar kan word as daar 'n ekstra ongesiene materie in die sterrestelsel is. Hierdie ekstra stof - wat na verwagting ongeveer 25% van die heelal op grond van die mees onlangse metings sal neem - word donker materie genoem. Benewens astronomiese waarnemings, probeer eksperimente op aarde soos die Cryogenic Dark Matter Search (CDMS) dadelik die donker materie waarneem.
Donker Energie - In 1998 het sterrekundiges probeer om die tempo te bepaal waarteen die heelal vertraag het ... maar hulle het bevind dat dit nie verlangsaam was nie. Trouens, die versnelling was besig om te bespoedig. Dit blyk dat Einstein se kosmologiese konstante tog nodig was, maar in plaas daarvan om die heelal as ewewigstoestand te hou, lyk dit asof die galakse in 'n vinniger en vinniger tempo uitmekaar gesit word. Dit is onbekend presies wat hierdie "afstotende swaartekrag veroorsaak", maar die naam wat fisici aan daardie stof gegee het, is "donker energie". Sterrekundige waarnemings voorspel dat hierdie donker energie ongeveer 70% van die heelal se stof uitmaak.
Daar is 'n paar ander voorstelle om hierdie ongewone resultate, soos Modified Newtonian Dynamics (MOND) en veranderlike spoed van ligkosmologie, te verduidelik, maar hierdie alternatiewe word beskou as fronteorieë wat nie onder baie fisici in die veld aanvaar word nie.
Oorsprong van die heelal
Dit is opmerklik dat die grootvlekteorie eintlik beskryf hoe die heelal sedert kort na sy skepping ontwikkel het, maar nie direkte inligting oor die werklike oorsprong van die heelal kan gee nie.
Dit is nie te sê dat fisika ons niks van die oorsprong van die heelal kan vertel nie. Wanneer fisici die kleinste skaal van ruimte verken, vind hulle dat kwantumfisika lei tot die skepping van virtuele deeltjies, soos blyk uit die Casimir-effek . Trouens, inflasie teorie voorspel dat in die afwesigheid van enige saak of energie, spasie tyd sal uitbrei. Gevolglik word dit wetenskaplikes 'n redelike verduideliking gegee vir hoe die heelal aanvanklik tot stand gekom het. As daar 'n ware "niks" was - maak nie saak nie, geen energie nie, geen spasie tyd nie - dan sou niks onstabiel wees nie en sou dit begin om energie, energie en 'n groeiende spasie tyd te genereer. Dit is die sentrale proefskrif van boeke soos die Grootontwerp en ' n Heelal Uit Niks , wat daarop dui dat die heelal verklaar kan word sonder verwysing na 'n bonatuurlike skepperegheid.
Die mensdom se rol in kosmologie
Dit sou moeilik wees om die kosmologiese, filosofiese en dalk selfs teologiese belangrikheid te beklemtoon om te erken dat die Aarde nie die middelpunt van die kosmos was nie. In hierdie sin is kosmologie een van die vroegste velde wat bewys gelewer het wat in stryd was met die tradisionele godsdienstige wêreldbeskouing. Trouens, elke voorskot in kosmologie blyk te vlieg in die gesig van die mees gekoesterde aannames wat ons graag wil maak oor hoe spesiale menslikheid as 'n spesie is ... ten minste in terme van kosmologiese geskiedenis. Hierdie gedeelte van The Grand Design deur Stephen Hawking en Leonard Mlodinow lê welsprekend die transformasie uit in die denke wat uit die kosmologie gekom het:
Nicolaus Copernicus se heliocentriese model van die sonnestelsel word erken as die eerste oortuigende wetenskaplike demonstrasie dat ons mense nie die fokuspunt van die kosmos is nie. Ons besef nou dat Copernicus se resultaat slegs een van 'n reeks geneste demo's is wat langdurig omverwerp Ongelukkige aannames oor die mens se spesiale status: ons is nie in die middel van die sonnestelsel geleë nie, ons is nie in die middel van die sterrestelsel geleë nie, ons is nie in die middel van die heelal geleë nie, ons is nie eens nie gemaak van die donker bestanddele wat die oorgrote meerderheid van die heelal se massa vorm. Sodanige kosmiese afgradering ... illustreer wat wetenskaplikes nou die Copernican-beginsel noem: in die groot skema van dinge wys alles wat ons weet aan mense wat nie 'n bevoorregte posisie beklee nie.