Разбиране на космологията и нейното въздействие

Космологията може да бъде трудна дисциплина, за да се справите, тъй като това е поле на изучаване във физиката, което засяга много други области. (Въпреки че, в действителност, почти всички области на изучаване във физиката засягат много други области.) Какво е космологията? Какво всъщност правят хората, които го изучават (наричан космолози)? Какви доказателства има в подкрепа на тяхната работа?

космология е дисциплината на науката, която изучава произхода и евентуалната съдба на Вселената. Тя е най-тясно свързана със специфичните области на астрономията и астрофизиката, въпреки че миналият век също привежда космологията в тясно съответствие с ключовите прозрения от физиката на частиците.

С други думи, достигаме до увлекателна реализация:

Нашето разбиране за съвременната космология идва от свързването на поведението на най-големият структури в нашата Вселена (планети, звезди, галактики и галактически клъстери) заедно с тези на най-малкия структури в нашата Вселена (фундаментални частици).

Проучването на космологията вероятно е една от най-старите форми на спекулативно проучване на природата и то започна в някакъв момент от историята, когато древен човек погледна към небето, задава въпроси като например следното:

• Как дойдохме да бъдем тук?
• Какво се случва на нощното небе?
• Сами ли сме във Вселената?
• Кои са онези лъскави неща в небето?

Имате идея.

Древните излязоха с доста добри опити да ги обяснят. Основен сред тях в западната научна традиция е физика на древните гърци, който разработи цялостен геоцентричен модел на Вселената, който беше усъвършенстван през вековете до времето на Птолемей, в който момент космологията наистина не се развива по-нататък в продължение на няколко века, с изключение на някои подробности за скоростите на различните компоненти на система.

Следващият голям напредък в тази област дойде от Николай Коперник през 1543 г., когато той публикува своята книга за астрономията на смъртното си легло (предвиждайки, че това ще предизвика спор с Католическата църква), очертавайки доказателствата за неговия хелиоцентричен модел на слънчевата енергия система. Ключовото прозрение, което мотивира тази трансформация в мисленето, беше схващането, че няма реално причина да се предполага, че Земята съдържа принципно привилегировано положение във физическото космос. Тази промяна в предположенията е известна като Принцип на Коперник. Хелиоцентричният модел на Коперник стана още по-популярен и приет въз основа на работата на Тихо Брахе, Галилей Галилей, и Йоханес Кеплер, които натрупаха значителни експериментални доказателства в подкрепа на хелиоцентричния модел на Коперник.

Беше Сър Исак Нютон който обаче успя да обедини всички тези открития, в действителност да обясни планетарните движения. Той имаше интуицията и проницателността да осъзнае, че движението на обекти, падащи на земята, е подобно на движението на обекти, обикалящи около Земята (по същество тези обекти непрекъснато падат около Земята). Тъй като това движение беше подобно, той разбра, че вероятно е причинен от същата сила, която той призова земно притегляне. Чрез внимателно наблюдение и разработване на нова математика т.нар смятане И неговият три закона за движение, Нютон успя да създаде уравнения, които описват това движение в най-различни ситуации.

Въпреки че законът на гравитацията на Нютон работеше при предсказването на движението на небето, имаше един проблем... не беше съвсем ясно как работи. Теорията предлага, че обектите с маса се привличат взаимно в пространството, но Нютон не успя да разработи научно обяснение за механизма, който гравитацията използва за постигането на това. За да обясни необяснимото, Нютон се е позовал на родово обръщение към Бога, като цяло обектите се държат по този начин в отговор на съвършеното присъствие на Бог във Вселената. За да получите физическо обяснение, ще изчака повече от два века, до пристигането на гений, чийто интелект може да затъмни дори този на Нютон.

Космологията на Нютон доминира в науката до началото на ХХ век, когато Алберт Айнщайн разработи теорията си за обща относителност, което предефинира научното разбиране за гравитацията. В новата формулировка на Айнщайн, гравитацията е причинена от огъването на 4-измерното пространствено време в отговор на наличието на масивен обект, като планета, звезда или дори галактика.

Едно от интересните последици от тази нова формулировка беше, че самото космическо време не е в равновесие. В доста кратък ред учените разбраха, че общата относителност предсказва, че космическото време ще се разшири или ще се свие. Вярвам, че Айнщайн е вярвал, че Вселената всъщност е вечна, той представи а космологична константа в теорията, която оказа натиск, който противодействаше на разширяването или свиването. Въпреки това, когато астрономът Едвин Хъбъл в крайна сметка откри, че Вселената всъщност се разширява, Айнщайн осъзнава, че е направил грешка и е премахнал космологичната константа от теорията.

Ако вселената се разширяваше, тогава естественият извод е, че ако пренавивате Вселената, щяхте да видите, че тя трябва да е започнала в малка и плътна буца материя. Тази теория за това как започва Вселената се нарича Теория на големия взрив. Това беше противоречива теория през средата на десетилетията на ХХ век, тъй като се противопоставяше на господството си срещу Фред Хойл устойчива теория. Откриването на космическото микровълново фоново излъчване през 1965 г. обаче потвърди предсказанието, направено във връзка с големия взрив, така че то стана широко прието сред физиците.

Въпреки че беше доказано погрешно относно теорията за устойчиво състояние, Хойл е приписан за основните разработки в теорията на звездна нуклеосинтеза, която е теорията, че водородът и другите светлинни атоми се трансформират в по-тежки атоми в ядрените тигели, наречени звезди, и изплюват във Вселената след смъртта на звездата. След това тези по-тежки атоми преминават във вода, планети и в крайна сметка живот на Земята, включително хора! Така, по думите на много страховити космолози, всички сме формирани от звезден прах.

Както и да е, обратно към еволюцията на Вселената. Докато учените получиха повече информация за Вселената и по-внимателно измерваха космическото микровълново фоново лъчение, възникна проблем. Тъй като бяха направени подробни измервания на астрономически данни, стана ясно, че понятия от квантово физиката трябва да играе по-силна роля в разбирането на ранните фази и еволюцията на вселена. Тази област на теоретичната космология, макар и все още силно спекулативна, стана доста плодородна и понякога се нарича квантова космология.

Квантовата физика показва вселена, която е доста близка до това, че е еднаква в енергията и материята, но не е напълно еднаква. Въпреки това, всички колебания в ранната Вселена биха се разширили значително през милиардите години, когато Вселената се разширява... и колебанията бяха много по-малки, отколкото можеше да се очаква. Така космолозите трябваше да измислят начин да обяснят неравномерната ранна вселена, но тази, която има само изключително малки колебания.

Въведете Алън Гут, физик на частици, който се справи с този проблем през 1980 г. с развитието на инфлационна теория. Колебанията в ранната Вселена са незначителни квантови колебания, но те бързо се разширяват в ранната Вселена поради ултра бърз период на разширяване. Астрономическите наблюдения от 1980 г. подкрепят прогнозите на теорията за инфлацията и сега това е консенсусното мнение сред повечето космолози.

Въпреки че космологията е напреднала много през последния век, все още има няколко открити мистерии. Всъщност две от централните мистерии в съвременната физика са доминиращите проблеми в космологията и астрофизиката:

• Тъмна материя - Някои галактики се движат по начин, който не може да бъде напълно обяснен въз основа на количеството материя наблюдавани в тях (наречени "видима материя"), но което може да се обясни, ако има допълнителна невиждана материя в рамките на галактика. Тази допълнителна материя, която се предвижда да заеме около 25% от Вселената въз основа на най-новите измервания, се нарича тъмна материя. В допълнение към астрономическите наблюдения, експерименти на Земята, като например Криогенно тъмно търсене (CDMS) се опитват директно да наблюдават тъмната материя.
• Тъмна енергия - През 1998 г. астрономите се опитаха да открият скоростта, с която вселената се забавя... но те откриха, че не се забавя. Всъщност скоростта на ускорение се ускоряваше. Изглежда, че в крайна сметка е необходима космологичната константа на Айнщайн, но вместо да държи Вселената като а състояние на равновесие, всъщност изглежда, че изтласква галактиките на разстояние с по-бърза и по-бърза скорост с течение на времето На. Не е известно точно какво причинява тази "отблъскваща гравитация", но името физиците са дали на това вещество е „тъмна енергия“. Астрономическите наблюдения предвиждат, че тази тъмна енергия представлява около 70% от тази на Вселената вещество.

Има някои други предложения за обяснение на тези необичайни резултати, като Модифицирана нютонова динамика (MOND) и променлива скорост на светлата космология, но тези алтернативи се считат за крайни теории, които не са приети сред много физици в област.

Заслужава да се отбележи, че теорията за големия взрив всъщност описва начина, по който Вселената се е развила оттогава малко след създаването му, но не може да даде пряка информация за действителния произход на вселена.

Това не означава, че физиката не може да ни каже нищо за произхода на Вселената. Когато физиците изследват най-малката скала на космоса, те откриват, че квантовата физика води до създаването на виртуални частици, както се вижда от Казимир ефект. Всъщност теорията за инфлацията предвижда, че при липса на каквато и да е материя или енергия, космическото време би се разширило. Следователно, възприето като номинална стойност, това дава на учените разумно обяснение как първоначално Вселената би могла да се създаде. Ако имаше истинско „нищо“, без значение, няма енергия, няма пространство, тогава това няма да е нестабилно и да започне да генерира материя, енергия и разширяващо се пространствено време. Това е централната теза на книги като Големият дизайн и Вселена от нищото, които казват, че Вселената може да бъде обяснена без позоваване на свръхестествено създателско божество.

Трудно би било да се подчертае космологичното, философското и може би дори богословското значение на признаването, че Земята не е център на Космоса. В този смисъл космологията е едно от най-ранните области, които дадоха доказателства, които бяха в противоречие с традиционния религиозен светоглед. Всъщност всеки напредък в космологията сякаш лети в лицето на най-съкровените предположения, които бихме искали да направим за това колко специално е човечеството като вид... поне по отношение на космологичната история. Този пасаж от Големият дизайн от Стивън Хоукинг и Леонард Млодинов красноречиво очертава трансформацията в мисленето, дошла от космологията:

Хелиоцентричният модел на Николай Коперник на Слънчевата система е признат за първата убедителна научна демонстрация, че ние хората не сме фокусът на Космоса... Вече осъзнаваме, че резултатът на Коперник е само една от поредицата от вложени демоции, които свалят дългосрочни предположения относно специалният статус на човечеството: не сме разположени в центъра на Слънчевата система, не сме разположени в центъра на галактиката, ние сме не се намира в центъра на Вселената, ние дори не сме направени от тъмните съставки, съставляващи огромното мнозинство от масата на Вселената. Такова космическо понижаване... илюстрира това, което учените сега наричат ​​принципа на Коперник: в голямата схема на нещата всичко, което знаем, насочва към хората, които не заемат привилегировано положение.