od tysięcy lat ludzie obserwują gwiazdy i zastanawiają się, jak powstał wszechświat. Ale dopiero w latach I wojny światowej naukowcy opracowali pierwsze instrumenty obserwacyjne i narzędzia teoretyczne, aby przekształcić te wielkie pytania w precyzyjną dziedzinę badań: kosmologię.,
„myślę o kosmologii jako jednym z najstarszych przedmiotów zainteresowań człowieka, ale jako jednej z najnowszych Nauk”, powiedział Paul Steinhardt, kosmolog na Uniwersytecie Princeton, który bada, czy czas ma początek.
Kosmologia, w skrócie, bada kosmos jako jeden byt, zamiast analizować oddzielnie gwiazdy, czarne dziury i galaktyki, które go wypełniają. To pole zadaje wielkie pytania: Skąd się wziął wszechświat? Dlaczego ma gwiazdy, galaktyki i gromady galaktyk? Co będzie dalej?, „Kosmologia stara się stworzyć obraz natury wszechświata na bardzo dużą skalę”-powiedziała Glennys Farrar, fizyk cząstek elementarnych Z New York University.
ponieważ dyscyplina ta zajmuje się wieloma zjawiskami, od cząstek w próżni po strukturę przestrzeni i czasu, kosmologia czerpie w dużej mierze z wielu dziedzin, w tym astronomii, astrofizyki i, coraz częściej, fizyki cząstek elementarnych.
„Kosmologia ma części, które są w pełni w fizyce, części, które są w pełni w astrofizyce, i części, które się tam i z powrotem,” Steinhardt powiedział. „To część podniecenia.,”
a history of the history of the universe
interdyscyplinarny charakter pola pomaga wyjaśnić jego stosunkowo późny początek. Nasz współczesny obraz wszechświata zaczął się łączyć dopiero w latach 20., wkrótce po tym, jak Albert Einstein opracował teorię ogólnej teorii względności, ramy matematyczne opisujące grawitację jako konsekwencję zginania przestrzeni i czasu.
„Zanim zrozumiesz naturę grawitacji, nie możesz stworzyć teorii, dlaczego rzeczy są takie, jakie są” – powiedział Steinhardt., Inne siły mają większy wpływ na cząstki, ale grawitacja jest głównym graczem na arenie planet, gwiazd i galaktyk. Opis grawitacji Isaaca Newtona często działa również w tej dziedzinie, ale traktuje przestrzeń (i czas) jako sztywne i niezmienne tło, na którym można mierzyć wydarzenia. Prace Einsteina pokazały, że sama przestrzeń może się rozszerzać i kurczyć, przenosząc wszechświat ze sceny do aktora i wprowadzając go do walki jako dynamiczny obiekt do badań.,w połowie lat dwudziestych XX wieku Edwin Hubble dokonał obserwacji z niedawno zbudowanego 100-calowego (254 centymetrowego) teleskopu Hookera w Mount Wilson Observatory w Kalifornii. Próbował rozstrzygnąć debatę na temat położenia pewnych chmur w przestrzeni, które astronomowie mogli zobaczyć. Hubble udowodnił, że te” mgławice „nie były małymi, lokalnymi obłokami, ale zamiast tego były rozległymi, odległymi gromadami gwiazd podobnymi do naszej Drogi Mlecznej — „wyspowymi wszechświatami” w języku tamtych czasów. Dziś nazywamy je galaktykami i wiemy, że liczą się w trylionach.,
największe wstrząsy w kosmicznej perspektywie miały dopiero nadejść. Prace Hubble ' a pod koniec lat 20.sugerowały, że galaktyki w każdym kierunku oddalają się od nas, wywołując dziesiątki lat dalszej debaty. Ostateczne pomiary kosmicznego tła mikrofalowego (CMB) — światła pozostałego z wczesnych lat wszechświata i rozciągniętego w mikrofale-w latach 60.udowodniły, że rzeczywistość pasuje do jednej z możliwości sugerowanych przez ogólną teorię względności: zaczynając od małego i gorącego, wszechświat staje się coraz większy i zimniejszy od tego czasu., Koncepcja ta stała się znana jako teoria Wielkiego Wybuchu i wstrząsnęła kosmologami, ponieważ sugerowała, że nawet wszechświat może mieć początek i koniec.
ale przynajmniej ci astronomowie mogli zobaczyć ruch galaktyk w swoich teleskopach., Jednym z najbardziej sejsmicznych przesunięć kosmologii, powiedział Farrar, jest idea, że zdecydowana większość rzeczy tam jest wykonana z czegoś innego, coś całkowicie niewidocznego. Materiał, który widzimy, stanowi niewiele więcej niż kosmiczny błąd zaokrąglania — tylko około 5% wszystkiego we wszechświecie.
pierwszy mieszkaniec pozostałych 95% wszechświata, tak zwany „ciemny Sektor”, wychował się w latach 70. XX wieku. wtedy astronom Vera Rubin zdała sobie sprawę, że galaktyki kręcą się wokół tak szybko, że powinny się od siebie oddzielić., Farrar powiedział, że coś, co utrzymuje galaktyki razem, musi być czymś zupełnie nieznanym fizykom, czymś — co-poza przyciąganiem grawitacyjnym – całkowicie ignoruje zwykłą materię i światło. Późniejsze mapowanie ujawniło, że galaktyki, które widzimy, są po prostu jądrami w centrum kolosalnych sfer „ciemnej materii”. Włókna widzialnej materii, które rozciągają się po całym wszechświecie, wiszą na ciemnej ramie, która przewyższa widoczne cząstki pięć do jednego.,
Kosmiczny Teleskop Hubble ' a odkrył następnie oznaki nieoczekiwanej różnorodności energii — która według kosmologów odpowiada pozostałym 70% wszechświata, po uwzględnieniu ciemnej materii (25%) i widzialnej (5%) — w latach 90., kiedy to postrzegał ekspansję wszechświata jako przyspieszającą jak uciekający pociąg. „Ciemna energia”, prawdopodobnie rodzaj energii nieodłącznie związanej z samą przestrzenią kosmiczną, spycha wszechświat szybciej niż grawitacja może przyciągnąć kosmos razem., Za bilion lat astronomowie pozostający w Drodze Mlecznej znajdą się w prawdziwym, Wyspowym wszechświecie, otoczonym ciemnością.
„znajdujemy się w punkcie przejściowym w historii wszechświata, od miejsca, w którym dominuje Materia, do miejsca, w którym dominuje nowa forma energii”, powiedział Steinhardt. „Ciemna materia zdeterminowała naszą przeszłość. Ciemna energia zadecyduje o naszej przyszłości.”
współczesna i przyszła kosmologia
obecna kosmologia łączy te przełomowe odkrycia ze swoim ukoronowaniem, modelem Lambda-CDM., Czasami nazywany standardowym modelem kosmologii, ten pakiet równań opisuje wszechświat od około pierwszej sekundy. Model zakłada pewną ilość ciemnej energii (lambda, dla jego reprezentacji w ogólnej teorii względności) i zimnej ciemnej materii (CDM) i sprawia, że podobne domysły na temat ilości widzialnej materii, kształtu wszechświata i innych cech, wszystkie określone przez eksperymenty i obserwacje.
Play that baby-universe film forward 13.,8 miliardów lat, a kosmolodzy dostają migawkę, która „statystycznie ma wszystko, co możemy zmierzyć do pewnego momentu” – powiedział Steinhardt. Model ten reprezentuje cel do pokonania, gdy kosmolodzy wciskają swoje opisy wszechświata głębiej w przeszłość i w przyszłość.
mimo sukcesu Lambda-CDM, wciąż ma wiele wad, które wymagają wypracowania. Kosmolodzy uzyskują sprzeczne wyniki, gdy próbują badać aktualną ekspansję wszechświata, w zależności od tego, czy mierzą go bezpośrednio w pobliskich galaktykach, czy wnioskują z CMB., Ten model nie mówi nic o składzie ciemnej materii czy energii.
potem jest ta kłopotliwa pierwsza sekunda istnienia, kiedy Wszechświat przypuszczalnie przeszedł z infinitezymalnej plamki do relatywistycznie dobrze zachowującej się bańki. „Inflacja” jest popularną teorią, która stara się poradzić sobie z tym okresem, wyjaśniając, w jaki sposób krótki moment jeszcze szybszej ekspansji spowodował znikome pierwotne różnice w nierównościach na dużą skalę dzisiejszych galaktyk, a także w jaki sposób wejścia Lambda-CDM uzyskały swoje wartości.,
nikt jednak nie wie, w jaki sposób inflacja działała szczegółowo, ani dlaczego zatrzymała się tam, gdzie prawdopodobnie. Steinhardt powiedział, że inflacja powinna być kontynuowana w wielu regionach kosmosu, sugerując, że nasz wszechświat jest tylko jednym kawałkiem „wieloświata” zawierającego każdą możliwą fizyczną rzeczywistość — niemożliwą do przetestowania ideę, którą wielu eksperymentatorów uważa za niepokojącą.,
aby poczynić postępy w takich kwestiach, kosmolodzy poszukują precyzyjnych pomiarów z teleskopów kosmicznych, takich jak Kosmiczny Teleskop Hubble ' a i zbliżający się Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, a także eksperymentów w rozwijającej się dziedzinie astronomii fal grawitacyjnych, takich jak Obserwatorium fal grawitacyjnych National Science Foundation. Kosmolodzy dołączają również do fizyków cząstek i astrofizyków w interdyscyplinarnym wyścigu do wykrywania cząstek ciemnej materii.,
tak jak kosmologia nie mogła rozpocząć się, dopóki inne gałęzie fizyki nie dojrzeją, nie będzie w stanie zakończyć odkrywania historii wszechświata, dopóki inne obszary nie będą bardziej kompletne.”Aby wyjaśnić historię, musisz wypracować zasadniczo wszystkie prawa fizyki we wszystkich skalach energii i we wszystkich warunkach” – powiedział Steinhardt. „A zmiana w każdym z nich może radykalnie zmienić kosmologiczną historię.”
, „To niesamowite, że ludzki mózg ewoluował do tego stopnia, że na te pytania można najwyraźniej odpowiedzieć” – powiedziała. „Przynajmniej niektóre z nich.”