Înțelegerea cosmologiei și a impactului său

Cosmologia poate fi o disciplină dificilă în care să te descurci, deoarece este un domeniu de studiu în fizică care atinge multe alte domenii. (Deși, în adevăr, zilele acestea, aproape toate domeniile de studiu din fizică ating mai multe alte domenii.) Ce este cosmologia? Ce fac de fapt oamenii care îl studiază (numiți cosmologi)? Ce dovezi există pentru a susține activitatea lor?

Cosmologie este disciplina științei care studiază originea și eventuala soartă a universului. Este cel mai strâns legat de domeniile specifice astronomiei și astrofizicii, deși secolul trecut a adus și cosmologia în linie cu ideile cheie din fizica particulelor.

Cu alte cuvinte, ajungem la o realizare fascinantă:

Înțelegerea cosmologiei noastre moderne vine din conectarea comportamentului cea mai mare structuri din universul nostru (planete, stele, galaxii și grupări de galaxii) împreună cu cele ale cel mai mic structuri din universul nostru (particule fundamentale).

Studiul cosmologiei este probabil una dintre cele mai vechi forme de anchetă speculativă asupra naturii și a început la un moment dat în istorie, când un om străvechi a privit spre ceruri, a pus întrebări precum ca urmare a:

• Cum am ajuns să fim aici?
• Ce se întâmplă pe cerul nopții?
• Suntem singuri în univers?
• Care sunt acele lucruri strălucitoare pe cer?

Ai ideea.

Anticii au venit cu câteva încercări destul de bune de a explica aceste lucruri. Unul dintre aceștia din tradiția științifică occidentală este fizica grecilor antici, care a dezvoltat un model geocentric cuprinzător al universului, care a fost perfecționat de-a lungul secolelor până pe vremea lui Ptolemeu, moment în care cosmologia nu s-a dezvoltat mai mult timp de câteva secole, cu excepția unor detalii despre viteza diferitelor componente ale sistem.

Următorul avans important în acest domeniu a venit de la Nicolaus Copernic în 1543, când și-a publicat cartea de astronomie pe patul său de moarte. (anticipând că ar provoca controverse cu Biserica Catolică), subliniind dovezile pentru modelul său heliocentric de solar sistem. Perspectiva cheie care a motivat această transformare în gândire a fost ideea că nu există realitate motiv pentru a presupune că Pământul conține o poziție fundamental privilegiată în cadrul fizicului cosmos. Această modificare a presupunerilor este cunoscută sub numele de Principiul copernican. Modelul heliocentric al lui Copernic a devenit și mai popular și acceptat pe baza operei lui Tycho Brahe, Galileo Galilei, și Johannes Kepler, care a acumulat dovezi experimentale substanțiale în sprijinul modelului heliocentric copernican.

A fost Sir Isaac Newton care a fost capabil să reunească toate aceste descoperiri pentru a explica de fapt mișcările planetare. El a avut intuiția și intuiția pentru a realiza că mișcarea obiectelor care cad pe pământ era similară cu mișcarea obiectelor care orbitează pe Pământ (în esență, aceste obiecte cad continuu în jurul pământul). Întrucât această mișcare a fost similară, și-a dat seama că este probabil cauzată de aceeași forță, pe care a numit-o gravitatie. Prin observarea atentă și dezvoltarea unei noi matematici numite calcul si a lui trei legi ale mișcării, Newton a fost capabil să creeze ecuații care descriau această mișcare într-o varietate de situații.

Deși legea gravitației Newton a funcționat la prezicerea mișcării cerurilor, a existat o problemă... nu era clar exact cum funcționa. Teoria a propus că obiectele cu masă se atrag reciproc în spațiu, dar Newton nu a fost capabil să dezvolte o explicație științifică pentru mecanismul pe care gravitația l-a folosit pentru a realiza acest lucru. Pentru a explica inexplicabilul, Newton s-a bazat pe un apel generic către Dumnezeu, practic, obiectele se comportă astfel ca răspuns la prezența perfectă a lui Dumnezeu în univers. Pentru a obține o explicație fizică ar fi așteptat peste două secole, până la sosirea unui geniu al cărui intelect ar putea eclipsa chiar și pe cel al lui Newton.

Cosmologia lui Newton a dominat știința până la începutul secolului XX, când Albert Einstein a dezvoltat teoria lui relativitate generală, care a redefinit înțelegerea științifică a gravitației. În noua formulare a lui Einstein, gravitatea a fost cauzată de aplecarea spațiului în patru dimensiuni ca răspuns la prezența unui obiect masiv, cum ar fi o planetă, o stea sau chiar o galaxie.

Una dintre implicațiile interesante ale acestei noi formulări a fost aceea că spațiul în sine nu era în echilibru. În ordine destul de scurtă, oamenii de știință și-au dat seama că relativitatea generală a prezis că spațiul sau se va extinde sau se va contracta. Cred că Einstein credea că universul era de fapt etern, a introdus un constantă cosmologică în teorie, care asigura o presiune care contracara expansiunea sau contracția. Cu toate acestea, când astronomul Edwin Hubble a descoperit că universul se extinde de fapt, Einstein și-a dat seama că a făcut o greșeală și a îndepărtat constant teoria cosmologică.

Dacă universul s-ar fi extins, atunci concluzia firească este că, dacă ar fi să derulați universul, ați vedea că trebuie să fi început într-un mic și dens material. Această teorie a modului în care a început universul a devenit numită Teoria Big Bang. Aceasta a fost o teorie controversată de-a lungul deceniilor mijlocii ale secolului al XX-lea, întrucât a contestat dominanța împotriva lui Fred Hoyle teoria stării de echilibru. Descoperirea radiației cosmice de fundal cu microunde în 1965, cu toate acestea, a confirmat o prezicere care a fost făcută în raport cu big bang-ul, astfel încât a devenit acceptată pe scară largă în rândul fizicienilor.

Deși s-a dovedit greșit în ceea ce privește teoria statului constant, Hoyle este creditat cu evoluțiile majore ale teoriei nucleozinteză stelară, care este teoria conform căreia hidrogenul și alți atomi de lumină sunt transformați în atomi mai grei din creuzetele nucleare numite stele și scuipați în univers la moartea stelei. Acești atomi mai grei continuă apoi să se formeze în apă, planete și în cele din urmă viață pe Pământ, inclusiv oameni! Astfel, în cuvintele multor cosmologi awestruck, toți suntem formați din stardust.

Oricum, înapoi la evoluția universului. Pe măsură ce oamenii de știință au obținut mai multe informații despre univers și au măsurat mai atent radiațiile cosmice de fundal cu microunde, a existat o problemă. Pe măsură ce au fost luate măsurători detaliate ale datelor astronomice, a devenit clar că conceptele cuantice fizica trebuia să joace un rol mai puternic în înțelegerea fazelor timpurii și a evoluției univers. Acest câmp al cosmologiei teoretice, deși încă foarte speculativ, a devenit destul de fertil și se numește uneori cosmologie cuantică.

Fizica cuantică a arătat un univers care era destul de aproape de a fi uniform în energie și materie, dar nu era complet uniform. Cu toate acestea, orice fluctuație din universul timpuriu s-ar fi extins foarte mult de-a lungul a miliarde de ani în care universul s-a extins... iar fluctuațiile erau mult mai mici decât se aștepta. Așadar, cosmologii au trebuit să-și dea seama de o modalitate de a explica un univers timpuriu neuniform, dar unul care a avut numai fluctuații extrem de mici.

Introduceți Alan Guth, un fizician de particule care a abordat această problemă în 1980 odată cu dezvoltarea teoria inflației. Fluctuațiile din universul timpuriu au fost fluctuații cuantice minore, dar s-au extins rapid în universul timpuriu din cauza unei perioade de expansiune ultra-rapide. Observațiile astronomice din 1980 au susținut previziunile teoriei inflației și este acum punctul de vedere al consensului dintre majoritatea cosmologilor.

Deși cosmologia a avansat mult în ultimul secol, există încă mai multe mistere deschise. De fapt, două dintre misterele centrale din fizica modernă sunt problemele dominante în cosmologie și astrofizică:

• Materie întunecată - Unele galaxii se mișcă într-un mod care nu poate fi complet explicat pe baza cantității de materie care este observate în interiorul lor (numite „materie vizibilă”), dar care poate fi explicată dacă există o substanță nevăzută în interiorul galaxie. Această materie suplimentară, care se presupune că va prelua aproximativ 25% din univers, pe baza celor mai recente măsurători, se numește materie întunecată. În plus față de observațiile astronomice, experimente pe Pământ, cum ar fi Căutare criogenică de materie întunecată (CDMS) încearcă să observe direct materia întunecată.
• Energie întunecată - În 1998, astronomii au încercat să detecteze ritmul cu care universul încetinea... dar au descoperit că nu încetinea. De fapt, viteza de accelerație a fost accelerată. Se pare că, până la urmă, a fost nevoie de constanta cosmologică a lui Einstein, dar în loc să țină universul ca fiind starea de echilibru pare, de fapt, să împingă galaxiile la o viteză mai rapidă pe măsură ce trece timpul pe. Nu se știe exact ce provoacă această „gravitație repulsivă”, dar numele fizicienilor i-au dat substanței respective este „energia întunecată”. Observațiile astronomice prezic că această energie întunecată constituie aproximativ 70% din cele ale universului substanţă.

Există alte câteva sugestii pentru a explica aceste rezultate neobișnuite, cum ar fi dinamica newtoniană modificată (MOND) și viteza variabilă a cosmologiei ușoare, dar aceste alternative sunt considerate teorii frange care nu sunt acceptate în rândul multor fizicieni din camp.

De remarcat este faptul că teoria big bang-ului descrie de fapt modul în care a evoluat universul de atunci la scurt timp după crearea sa, dar nu poate oferi nicio informație directă despre originile reale ale univers.

Asta nu înseamnă că fizica nu ne poate spune nimic despre originile universului. Atunci când fizicienii explorează cea mai mică scară a spațiului, ei află că fizica cuantică are ca rezultat crearea de particule virtuale, așa cum demonstrează Efect Casimir. De fapt, teoria inflației prevede că, în absența oricărei materii sau energie, atunci spațiul timpului s-ar extinde. Prin urmare, luată ca valoare nominală, acest lucru oferă oamenilor de știință o explicație rezonabilă pentru modul în care universul ar putea fi creat inițial. Dacă ar exista un adevărat „nimic”, indiferent de materie, de energie, de spațiu, atunci nimic nu ar fi instabil și ar începe să genereze materie, energie și un spațiu în expansiune. Aceasta este teza centrală a cărților cum ar fi Marele design și Un univers din nimic, care presupun că universul poate fi explicat fără referire la o zeitate creatoare supranaturală.

Ar fi greu de subliniat importanța cosmologică, filosofică și poate chiar teologică a recunoașterii faptului că Pământul nu este centrul cosmosului. În acest sens, cosmologia este unul dintre primele domenii care a dat dovezi care erau în conflict cu viziunea religioasă tradițională a lumii. De fapt, fiecare progres în cosmologie pare să zboare în fața celor mai prețuite presupuneri pe care am dori să le facem despre cât de specială este umanitatea ca specie... cel puțin din punct de vedere al istoriei cosmologice. Acest pasaj din Marele design de Stephen Hawking și Leonard Mlodinow expune elocvent transformarea în gândire care a venit din cosmologie:

Modelul heliocentric al sistemului solar al lui Nicolaus Copernicus este recunoscut ca fiind prima demonstrație științifică convingătoare că noi, oamenii, nu suntem punctul central al cosmosului... Ne dăm acum seama că rezultatul lui Copernic nu este decât una dintre o serie de demotizări cuibărite care răstoarnă presupunerile de multă vreme cu statutul special al umanității: nu suntem situați în centrul sistemului solar, nu suntem situați în centrul galaxiei, suntem nu sunt situate în centrul universului, nici măcar nu suntem făcuți din ingredientele întunecate care constituie marea majoritate a masa universului. O astfel de declasare cosmică... exemplifică ceea ce oamenii de știință numesc acum principiul copernican: în marea schemă a lucrurilor, tot ceea ce știm indică către ființele umane care nu ocupă o poziție privilegiată.