Az emberek évezredek óta figyelték a csillagokat, és azon gondolkodtak, hogy miként jött létre az univerzum. A kutatók azonban csak az I. világháború éveiben fejlesztették ki az első megfigyelő eszközöket és elméleti eszközöket, amelyek segítségével ezeket a nagy kérdéseket pontos tanulmányi területré alakíthatják: kozmológia.
"A kozmológiát az emberi érdeklődés egyik legrégebbi témájának, de a legújabb tudományoknak gondolom" - mondta Paul Steinhardt, a Princetoni Egyetem kozmológusa, aki azt vizsgálja, hogy az időnek van-e kezdete.
A kozmológia dióhéjban a kozmoszt mint egy entitást vizsgálja, ahelyett, hogy külön megvizsgálná a csillagokat, fekete lyukakat és galaxisokat, amelyek kitöltik. Ez a mező nagy kérdéseket tesz fel: honnan származott az univerzum? Miért vannak csillagok, galaxisok és galaxisfürtök? Mi fog történni ezután? "A kozmológia nagyon nagy méretű képet próbál készíteni az univerzum természetéről" - mondta Glennys Farrar, a New York-i Egyetem részecskefizikusa.
Mivel ez a tudományág számos jelenséggel küzd, a vákuumban lévő részecskéktől a tér és idő szövetéig, a kozmológia sok területre támaszkodik, ideértve a csillagászatot, az asztrofizikát és egyre inkább a részecskefizikát.
"A kozmológiának vannak olyan részei, amelyek teljes mértékben a fizikában vannak, részei teljesen asztrofizikában vannak, és részek, amelyek oda-vissza megyek" - mondta Steinhardt. "Ez az izgalom része."
A világegyetem története
A terület interdiszciplináris jellege segít megmagyarázni annak viszonylag késő kezdetét. A világegyetemről alkotott modern képet csak az 1920-as években kezdték összekapcsolni, röviddel azután, hogy Albert Einstein kifejlesztette az általános relativitáselmélet elméletét, egy matematikai keretet, amely a gravitációt írja le a tér és idő meghajlásának következményeként.
"Mielőtt megértenék a gravitáció természetét, nem igazán tud elméletet készíteni arról, hogy miért vannak a dolgok olyanok, ahogy vannak" - mondta Steinhardt. Más erők nagyobb hatással vannak a részecskékre, de a gravitáció a fő szereplő a bolygók, csillagok és galaxisok arénájában. Isaac Newton gravitációs leírása gyakran ebben a birodalomban is működik, de a teret (és az időt) merev és változatlan háttérként kezeli, amelyhez az események mérhetők. Einstein munkája megmutatta, hogy maga az űr is kibővülhet és összehúzódhat, az univerzumot színpadiról színre mozgatva, és dinamikus tárgyakké alakítva.
Az 1920-as évek közepén Edwin Hubble csillagász megfigyeléseket végzett a nemrégiben épített, 100 hüvelyk (254 centiméter) Hooker távcsőből a kaliforniai Mount Wilson Obszervatóriumban. Megpróbálta rendezni a bizonyos felhőknek az űrben való elhelyezkedését érintő vitát, amelyet a csillagászok láthattak. Hubble bebizonyította, hogy ezek a "ködök" nem voltak kicsi, helyi felhők, hanem hatalmas, távoli csillagcsoportok voltak, hasonlóak a Tejútunkhoz - a "szigeti univerzumokhoz" az idő számában. Ma galaxisoknak nevezzük őket, és tudjuk, hogy számok milliárdokban állnak.
A kozmikus szempontból a legnagyobb fordulat még nem történt meg. Hubble 1920-as évek végén végzett munkája azt sugallta, hogy a galaxisok minden irányban távolodnak tőlünk, évtizedek óta indítanak további vitákat. A kozmikus mikrohullámú háttér (CMB) végső mérései - az univerzum korai éveiből megmaradt és azóta mikrohullámokra feszített fény - az 1960-as években bebizonyították, hogy a valóság megfelel az általános relativitáselmélet által javasolt lehetőségeknek: Kicsi és meleg indulással az univerzum azóta egyre nagyobb és hidegebb. A koncepció a Big Bang elméletként vált ismertté, és felcsapta a kozmológusokat, mert azt jelentette, hogy még az univerzumnak is lehet kezdete és vége.
De legalább ezek a csillagászok láthatták a galaxisok mozgását a távcsövein. A kozmológia egyik szeizmikus változása - mondta Farrar - az a gondolat, hogy az ottani dolgok túlnyomó többsége valami másból készül, valami teljesen láthatatlanból. Az általunk látható anyag alig több, mint egy kozmikus kerekítési hiba - az univerzumban mindazoknak csak körülbelül 5% -a.
Az univerzum másik 95% -ának első tagadója, amelyet „sötét szektornak” hívnak, az 1970-es években emelték fel a fejét. Vera Rubin csillagász akkoriban rájött, hogy a galaxisok olyan gyorsan körbekerülnek, hogy szétválják egymást. A nehezen látható dolgokon túl, Farrar mondta, a galaxisokat együtt tartó dolgoknak valami teljesen ismeretlennek kell lenniük a fizikusok számára, olyasmi, amely - kivéve a gravitációs vonzását - teljesen figyelmen kívül hagyja a rendes anyagot és a fényt. Későbbi feltérképezés során kiderült, hogy az általunk látott galaxisok egyszerűen csak magok a kolosszális "sötét anyag" gömbök központjában. A világegyetemen átnyúló látható anyag rostjai egy sötét keretben lógnak, amely meghaladja a látható részecskéket öt-egy ellen.
A Hubble űrteleszkóp ezután felfedezte az energia váratlan változatosságának jeleit - amelyek a kozmológusok szerint a világegyetem fennmaradó 70% -át teszik ki, miután a sötét anyagot (25%) és a látható anyagot (5%) elszámolták - az 1990-es években, amikor megállította az univerzum tágulását, miközben felgyorsult, mint egy elszabadult vonat. A "sötét energia", amely valószínűleg magának a világnak egyfajta energiatípusa, gyorsabban tolja el az univerzumot, mint a gravitáció, amely összehozza a kozmoszt. Egy billió év alatt a Tejútban maradt csillagászok valódi szigeti világegyetemben találják magukat, sötétség borítja őket.
"Egy átmeneti pontban vagyunk az univerzum történetében, ahonnan az anyag uralja, ahol az új energiaforma uralja" - mondta Steinhardt. "A sötét anyag határozta meg a múltunkat. A sötét energia határozza meg a jövőnket."
Modern és jövő kozmológia
A jelenlegi kozmológia becsomagolja ezeket a mérföldkőnek számító felfedezéseket a koronázási eredményéhez, a Lambda-CDM modellhez. Ezt az egyenletcsomagot, amelyet néha a kozmológia szokásos modelljének neveznek, az univerzumot az első másodpercétől kezdve írja le. A modell bizonyos mennyiségű sötét energiát (lambda, az általános relativitáselméleti ábrázoláshoz) és a hideg sötét anyagot (CDM) feltételez, és hasonló sejtéseket tesz a látható anyag mennyiségére, a világegyetem alakjára és más jellemzőkre, mindezt kísérletekkel meghatározva. és megfigyelések.
Játssza le azt a baba-világegyetemi filmet 13,8 milliárd évvel előre, és a kozmológusok pillanatfelvételt kapnak, amely "statisztikailag mindent tartalmaz, amelyet egy bizonyos pontig meg tudunk mérni" - mondta Steinhardt. Ez a modell képviseli azt a célt, amelyet meg kell küzdeni, amikor a kozmológusok mélyebben a múltba és a jövőbe tolják a világegyetem leírását.
Olyan sikeres, mint a Lambda-CDM, még mindig rengeteg rokonságot tartalmaz, amelyeket ki kell dolgozni. A kozmológusok ellentmondásos eredményeket kapnak, amikor megpróbálják tanulmányozni az univerzum jelenlegi terjeszkedését, attól függően, hogy közvetlenül a közeli galaxisokban mérik, vagy a CMB-ből következtetik-e. Ez a modell semmit sem mond a sötét anyag sminkéről vagy az energiáról.
Aztán ott van a létezés zavaró első másodperce, amikor az univerzum feltehetően a végtelen méretű speckről a relativista módon jól viselkedő buborékra ment. Az "infláció" egy népszerű elmélet, amely megkísérelni kezelni ezt az időszakot, elmagyarázva, hogy egy még gyorsabb terjeszkedés egy rövid pillanata felrobbantotta a mai galaxisok nagyfokú egyenetlenségeinek apró primitív variációit, valamint azt, hogy a Lambda-CDM bemenetek miként értékék meg .
Senki sem tudja, hogy az infláció hogyan működött részletesen, vagy miért állt le ott, ahol feltehetően. Steinhardt szerint az inflációnak folytatódnia kellett az űr sok régiójában, ami arra utal, hogy világegyetemünk csak egy „multiverse” szeletét tartalmazza, amely minden lehetséges fizikai valóságot tartalmaz - ez egy olyan támadhatatlan ötlet, amelyet sok kísérleti szakember aggasztónak talál.
Az ilyen kérdésekben történő előrehaladás érdekében a kozmológusok pontossági méréseket végeznek az űrbázisú távcsövekből, mint például a Hubble Űrtávcsőből és a közelgő James Webb Űrtávcsőből, valamint a gravitációs hullám csillagászatának feltörekvő területén végzett kísérletekre, mint például a Nemzeti Tudományos Alapítvány Lézer-interferométer gravitációs hullámú obszervatórium. A kozmológusok a részecskefizikusok és az asztrofizikusok között interdiszciplináris versenyen is csatlakoznak a sötét anyag részecskéinek felderítéséhez.
Ahogy a kozmológia nem kezdődhet meg, amíg a fizika más ágainak éretté válnak, addig nem lesz képes befejezni a világegyetem történetének feltárását, amíg más területek teljesebbek lesznek. "A történet egyértelművé tételéhez lényegében minden a fizikai törvények minden energia skálán és minden körülmények között "- mondta Steinhardt. "És bármelyik ilyen változása radikálisan megváltoztathatja a kozmológiai történetet."
Farrar azt mondta, hogy nem tudja, hogy ez megtörténik -, és csodálkozik amiatt, hogy az emberek annyira megragadták az univerzum komplexitásait, amennyire csak rendelkeznek. "Elképesztő, hogy az emberi agy olyan mértékben fejlődött, hogy ezekre a kérdésekre látszólag meg lehet válaszolni" - mondta. "Legalább néhány közülük."
További erőforrások:
