Razumijevanje kozmologije i njezin utjecaj

Kozmologija može biti teška disciplina da bi se mogli nositi s njom, jer je to područje fizike koje se dotiče mnogih drugih područja. (Iako se, uistinu, u današnje vrijeme gotovo sva područja studiranja fizike dotiču mnogih drugih područja.) Što je kozmologija? Što zapravo rade ljudi koji ih proučavaju (zvani kozmolozi)? Kakvi dokazi postoje u prilog njihovom radu?

kosmologija je disciplina znanosti koja proučava podrijetlo i eventualnu sudbinu svemira. Najviše je povezan s specifičnim poljima astronomije i astrofizike, premda je prošlo stoljeće također kosmologiju usko uskladilo s ključnim uvidima iz fizike čestica.

Drugim riječima, postižemo fascinantno shvaćanje:

Naše razumijevanje moderne kozmologije dolazi iz povezivanja ponašanja najveći strukture u našem svemiru (planete, zvijezde, galaksije i galaksije) zajedno s onim iz najmanja strukture u našem svemiru (temeljne čestice).

Proučavanje kozmologije vjerojatno je jedan od najstarijih oblika špekulativnog istraživanja prirode i počelo je u nekom trenutku povijesti kada je drevni čovjek pogledao prema nebu, postavljao je pitanja poput sljedeće:

• Kako smo došli ovdje?
• Što se događa na noćnom nebu?
• Jesmo li sami u svemiru?
• Koje su to sjajne stvari na nebu?

Shvaćate ideju.

Drevni su naišli na prilično dobre pokušaje da to objasne. Glavni od njih u zapadnoj znanstvenoj tradiciji je glasilo fizika starih Grka, koji je razvio sveobuhvatni geocentrični model svemira koji je pročišćen tijekom stoljeća do doba Ptolomeja, u kojem trenutku kozmologija se nije razvijala dalje nekoliko stoljeća, osim u nekim pojedinostima o brzinama različitih komponenti sustav.

Sljedeći veliki napredak na ovom području došao je od Nikole Kopernika 1543. godine, kada je objavio svoju astronomsku knjigu na smrtnoj postelji (predviđajući da će to izazvati kontroverzu s Katoličkom crkvom), iznoseći dokaze za njegov heliocentrični model Sunca sustav. Ključni uvid koji je motivirao ovu transformaciju u razmišljanju bio je pojam da ne postoji stvarnost razlog za pretpostaviti da Zemlja sadrži fundamentalno povlašten položaj unutar fizičkog kozmos. Ova promjena pretpostavki poznata je kao Kopernikovo načelo. Kopernikov heliocentrični model postao je još popularniji i prihvaćeniji na temelju djela Ticha Brahea, Galileo Galilei, i Johannes Kepler, koji su sakupili značajne eksperimentalne dokaze u prilog Kopernikovom heliocentričnom modelu.

Bilo je Sir Isaac Newton koji je ipak uspio sve ove spoznaje spojiti u stvarna objašnjenja planetarnih pokreta. Imao je intuiciju i uvid da shvati da je gibanje objekata koji padaju na zemlju slično kretanju objekata koji kruže oko Zemlje (u biti, ti objekti kontinuirano padaju oko zemlja). Kako je ovaj pokret sličan, shvatio je da ga je vjerojatno izazvala ista sila, koju je on pozvao gravitacija. Pažljivim promatranjem i razvojem nove matematike zvane račun i njegov tri zakona kretanja, Newton je uspio stvoriti jednadžbe koje su opisale ovaj pokret u različitim situacijama.

Iako je Newtonov zakon gravitacije djelovao na predviđanje kretanja neba, postojao je jedan problem... nije bilo baš jasno kako to djeluje. Teorija je predložila da se predmeti s masom privlače jedni druge u svemiru, ali Newton nije uspio razviti znanstveno objašnjenje mehanizma kojim se gravitacija koristi za postizanje toga. Da bi objasnio neobjašnjivo, Newton se oslanjao na općeniti poziv na Boga, u osnovi, predmeti se ponašaju na taj način kao odgovor na savršenu prisutnost Boga u svemiru. Do fizičkog objašnjenja čekalo bi više od dva stoljeća, do dolaska genija čiji bi intelekt mogao pomračiti čak i Newtonov.

Newtonova kozmologija dominirala je u znanosti sve do početka dvadesetog stoljeća kada Albert Einstein razvio svoju teoriju o opća relativnost, što je redefiniralo znanstveno razumijevanje gravitacije. U Einsteinovoj novoj formulaciji gravitacija je bila izazvana savijanjem četverodimenzionalnog svemirskog vremena kao odgovor na prisutnost ogromnog objekta, poput planete, zvijezde ili čak galaksije.

Jedna od zanimljivih implikacija ove nove formulacije bila je ta što sam prostor u vremenu nije bio u ravnoteži. U prilično kratkom redoslijedu, znanstvenici su shvatili da je opća relativnost predviđala da će se svemir vrijeme ili proširiti ili smanjiti. Vjerovao je da je Einstein vjerovao da je svemir zapravo vječan, uveo je kozmološka konstanta u teoriju, koja je pružala pritisak koji je spriječio širenje ili smanjivanje. Međutim, kad je astronom Edwin Hubble na kraju otkrio da se svemir u stvari širi, Einstein je shvatio da je pogriješio i iz teorije je uklonio kosmološku konstantu.

Da se svemir širi, prirodni je zaključak da, kada biste preusmeravali svemir, vidjeli biste da je zacijelo počeo u malom, gustom grozdu materije. Ova teorija o načinu na koji je svemir nastao naziva se teorijom velikog praska. To je bila kontroverzna teorija tijekom srednjeg desetljeća dvadesetog stoljeća, jer je viđala za dominacijom nad Fredom Hoyleom teorija stabilnog stanja. Otkriće kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja 1965. godine, međutim, potvrdilo je predviđanje koje je postavljeno u vezi s velikim praskom, pa je postalo široko prihvaćeno među fizičarima.

Iako se pokazalo pogrešnim u pogledu teorije ustaljenog stanja, Hoyle je zaslužan za najveća dostignuća u teoriji zvjezdana nukleosinteza, što je teorija da se vodikov i drugi svjetlosni atomi pretvaraju u teže atome unutar nuklearnih lončića koji se nazivaju zvijezde i nakon smrti zvijezde ispljunu u svemir. Ti teži atomi tada se pretvaraju u vodu, planete i, u konačnici, život na Zemlji, uključujući ljude! Prema tome, prema riječima mnogih strahujućih kozmologa, svi smo stvoreni od zvjezdanih prašina.

U svakom slučaju, natrag evoluciji svemira. Kako su znanstvenici dobivali više informacija o svemiru i pažljivije izmjerili kozmičko mikrovalno pozadinsko zračenje, došlo je do problema. Kako su izvršena detaljna mjerenja astronomskih podataka, postalo je jasno da su pojmovi iz kvantnog fizika je trebala igrati snažniju ulogu u razumijevanju ranih faza i evolucije svemir. Ovo polje teorijske kozmologije, iako još uvijek vrlo spekulativno, postalo je prilično plodno i ponekad se naziva kvantnom kosmologijom.

Kvantna fizika pokazala je svemir koji je bio prilično blizu da bude ujednačen u energiji i materiji, ali nije u potpunosti ujednačen. Međutim, bilo kakva kolebanja u ranom svemiru znatno bi se proširila tijekom milijardi godina koliko se svemir širio... a fluktuacije su bile mnogo manje nego što bi se moglo očekivati. Tako su kozmolozi morali smisliti način da objasne neujednačeni rani svemir, ali onaj koji je imao samo izuzetno mala kolebanja.

Unesite Alana Guth-a, fizičara čestica koji se 1980. godine bavio ovim problemom razvojem teorija inflacije. Fluktuacije u ranom svemiru bile su manje kvantne fluktuacije, ali su se u ranom svemiru brzo proširile zbog ultra brzog razdoblja širenja. Astronomska promatranja od 1980. podržavaju predviđanja teorije inflacije i to je sada većinom konsenzusa većine kozmologa.

Iako je kozmologija u posljednjem stoljeću znatno napredovala, još uvijek postoji nekoliko otvorenih misterija. U stvari, dvije glavne misterije suvremene fizike su dominantni problemi kozmologije i astrofizike:

• Tamna materija - Neke se galaksije kreću na način koji nije moguće objasniti u potpunosti na osnovu količine tvari promatrane unutar njih (zvane "vidljiva materija"), ali što se može objasniti postoji li dodatna neviđena materija unutar galaksija. Ta dodatna tvar, za koju se predviđa da će zauzeti oko 25% svemira, na temelju najnovijih mjerenja, naziva se tamna materija. Uz astronomska promatranja, eksperimenti na Zemlji kao što su Kriogena traga za tamnom materijom (CDMS) pokušavaju izravno promatrati tamnu materiju.
• Tamna energija - 1998. astronomi su pokušali otkriti brzinu kojom je svemir usporavao... ali otkrili su da se ne usporava. U stvari, ubrzanje je ubrzavalo. Čini se da je Einsteinova kozmološka konstanta ipak bila potrebna, ali umjesto da svemir drži kao stanje ravnoteže, čini se da gura galaksije sve više i brže kako vrijeme prolazi na. Nije točno što uzrokuje ovu "odbojnu gravitaciju", ali naziv su fizičari dali toj tvari je "tamna energija". Astronomska promatranja predviđaju da ta tamna energija čini oko 70% svemira tvar.

Postoje još neki prijedlozi koji objašnjavaju ove neobične rezultate, poput Modificirane newtonske dinamike (MOND) i promjenjive brzine svjetlosne kozmologije, ali ove se alternative smatraju rubnim teorijama koje nisu prihvaćene od strane mnogih fizičara u polje.

Vrijedi napomenuti da teorija velikog praska zapravo opisuje način na koji se svemir razvijao od tada ubrzo nakon stvaranja, ali ne može dati izravne podatke o stvarnom podrijetlu svemir.

To ne znači da nam fizika ne može reći ništa o podrijetlu svemira. Kada fizičari istražuju najmanju mjerilu prostora, otkrivaju da kvantna fizika rezultira stvaranjem virtualnih čestica, o čemu svjedoči Casimir efekt. U stvari, teorija inflacije predviđa da bi se, bez ikakve materije ili energije, proširio prostor. Stoga, uzeta po nominalnoj vrijednosti, znanstvenicima daje razumno objašnjenje kako bi svemir mogao u početku nastati. Da je postojalo istinsko "ništa", bez obzira na energiju, bez prostora, tada to ništa ne bi bilo nestabilno i počelo bi stvarati materiju, energiju i svemirski prostor koji se širi. To je središnja teza knjiga poput Veliki dizajn i Univerzum iz ničega, koji govore da se svemir može objasniti bez pozivanja na natprirodno božanstvo stvaralaca.

Bilo bi teško pretjerano naglasiti kozmološku, filozofsku, a možda čak i teološku važnost priznavanja da Zemlja nije središte kozmosa. U tom smislu, kozmologija je jedno od najranijih polja koja daju dokaze koji su bili u sukobu s tradicionalnim religijskim svjetonazorom. Zapravo, čini se da je svaki napredak u kozmologiji leteo suočen s najcjenjenijim pretpostavkama koje bismo željeli izraziti o posebnosti čovječanstva kao vrste... barem u smislu kozmološke povijesti. Ovaj odlomak iz Veliki dizajn po Stephen Hawking a Leonard Mlodinow elokventno prikazuje transformaciju u mišljenju koja proizlazi iz kozmologije:

Heliocentrični model Sunčevog sustava Nicolausa Kopernika priznat je kao prva uvjerljiva znanstvena demonstracija da mi ljudi nismo žarište kozmosa... Sada shvaćamo da je Kopernikov rezultat samo jedan u nizu ugniježđenih democija koje su srušile dugoročne pretpostavke o poseban status čovječanstva: nismo u središtu Sunčevog sustava, nismo u središtu galaksije, mi smo koji se ne nalaze u središtu svemira, nismo ni napravljeni od tamnih sastojaka koji čine ogromnu većinu svemirska masa. Takva kozmička degradacija... prikazuje primjer onoga što znanstvenici danas nazivaju Kopernikovim principom: u velikoj shemi stvari sve što znamo upućuje na ljudska bića koja ne zauzimaju privilegiran položaj.