Po tisíce rokov ľudia sledovali hviezdy a premýšľali, ako sa vesmír stal. Vedci však vyvinuli prvé pozorovacie nástroje a teoretické nástroje na transformáciu týchto veľkých otázok do presného študijného odboru: kozmológie, až do rokov prvej svetovej vojny.
„Kozmológiu považujem za jeden z najstarších predmetov ľudského záujmu, ale za jednu z najnovších vied,“ povedal Paul Steinhardt, kozmológ na Princetonskej univerzite, ktorý študuje, či má čas začiatok.
Kozmológia v skratke študuje vesmír ako jednu entitu, a nie samostatne analyzuje hviezdy, čierne diery a galaxie, ktoré ju vyplňujú. Toto pole kladie veľké otázky: Odkiaľ pochádza vesmír? Prečo má hviezdy, galaxie a zhluky galaxií? Čo bude ďalej? „Kozmológia sa snaží urobiť veľmi rozsiahly obraz o povahe vesmíru,“ povedal Glennys Farrar, fyzik častíc na New York University.
Pretože táto disciplína zápasí s mnohými javmi, od častíc vo vákuu po štruktúru vesmíru a času, kozmológia sa ťažko týka mnohých oblastí vrátane astronómie, astrofyziky a stále častejšie fyziky častíc.
„Kozmológia má časti, ktoré sú úplne vo fyzike, časti, ktoré sú úplne v astrofyzike, a časti, ktoré sa pohybujú tam a späť,“ povedal Steinhardt. "To je časť vzrušenia."
Dejiny dejín vesmíru
Interdisciplinárna povaha oblasti pomáha vysvetliť jej pomerne neskorý začiatok. Náš moderný obraz vesmíru sa začal stretávať až v 20. rokoch, krátko po tom, ako Albert Einstein vyvinul teóriu všeobecnej relativity, matematický rámec, ktorý opisuje gravitáciu ako dôsledok ohýbania priestoru a času.
„Predtým, než pochopíte podstatu gravitácie, nemôžete skutočne urobiť teóriu, prečo sú veci také, aké sú,“ povedal Steinhardt. Ostatné sily majú väčší vplyv na častice, ale gravitácia je hlavným hráčom v aréne planét, hviezd a galaxií. Isaac Newtonov popis gravitácie často funguje aj v tejto ríši, ale zaobchádza s priestorom (a časom) ako s pevným a nemenným prostredím, na základe ktorého sa dajú merať udalosti. Einsteinova práca ukázala, že samotný priestor sa môže rozširovať a zmenšovať, presúva vesmír z javiska na herca a prináša ho do úzkosti ako dynamický objekt, ktorý sa má študovať.
V polovici dvadsiatych rokov astronóm Edwin Hubble urobil pozorovania z nedávno postaveného 100-palcového (254 centimetra) Hookerovho ďalekohľadu na observatóriu Mount Wilson v Kalifornii. Pokúšal sa urovnať rozpravu o umiestnení určitých oblakov vo vesmíre, ktoré videli astronómovia. HST dokázal, že tieto „hmloviny“ neboli malé miestne mračná, ale namiesto toho to boli obrovské, vzdialené hviezdokopy podobné našej vlastnej Mliečnej dráhe - „ostrovné vesmíry“, ktoré boli v čase známe. Dnes im hovoríme galaxie a vieme, že sa počítajú v biliónoch.
Najväčšie otrasy v kozmickej perspektíve ešte len prídu. Hubbleova práca koncom dvadsiatych rokov naznačovala, že galaxie vo všetkých smeroch sa od nás odďaľujú a vyvolávajú desiatky ďalších diskusií. Prípadné merania kozmického mikrovlnného pozadia (CMB) - svetlo, ktoré zostalo z raných rokov vesmíru a odkedy sa rozšírilo do mikrovlnných rúk - v 60. rokoch 20. storočia dokázali, že realita sa zhoduje s jednou z možností navrhovaných všeobecnou relativitou: od tej doby sa zväčšuje a chladí. Táto koncepcia sa stala známou ako teória Veľkého tresku a kozmológovia chrastili, pretože z toho vyplynulo, že aj vesmír môže mať začiatok a koniec.
Ale aspoň títo astronómovia videli pohyb galaxií vo svojich ďalekohľadoch. Jeden z naj seizmickejších posunov v kozmológii, povedal Farrar, je myšlienka, že veľká väčšina vecí, ktoré tam sú, je vyrobená z niečoho iného, niečoho úplne neviditeľného. Materiál, ktorý vidíme, predstavuje niečo viac ako len chybu kozmického zaokrúhľovania - iba asi 5% všetkého vo vesmíre.
Prvý obyvatelia ďalších 95% vesmíru, čo sa nazýva „temný sektor“, vychovávali svoju hlavu v 70. rokoch 20. storočia. V tom čase si astronómka Vera Rubin uvedomila, že galaxie sa pohybujú tak rýchlo, že sa musia rozpadnúť. Farrar povedal, že hmota, ktorá drží galaxie pohromade, musí byť fyzicky niečo úplne neznáme, ale niečo, čo - okrem gravitačného ťahu - úplne ignoruje bežnú hmotu a svetlo. Neskoršie mapovanie odhalilo, že galaxie, ktoré vidíme, sú jednoducho jadrá uprostred kolosálnych sfér „temnej hmoty“. Vlákna viditeľnej hmoty, ktoré sa tiahnu cez vesmír, visia na tmavom ráme, ktorý prevažuje nad viditeľnými časticami päť ku jednej.
Hubbleov vesmírny teleskop potom odhalil príznaky nečakanej rozmanitosti energie - čo podľa kozmológov pripadá zvyšných 70% vesmíru po započítaní temnej hmoty (25%) a viditeľnej hmoty (5%) - v 90. rokoch, keď dvíhali expanziu vesmíru ako zrýchlenie ako utečený vlak. „Temná energia“, možno druh energie, ktorá je vlastná samotnému vesmíru, tlačí vesmír rýchlejšie, než gravitácia dokáže vesmír spojiť. Za bilión rokov sa každý astronóm, ktorý zostal v Mliečnej dráhe, ocitne v pravom ostrovnom vesmíre obklopenom temnotou.
„Sme v prechodnom bode v histórii vesmíru, odkiaľ je ovládaná hmotou, kde dominuje nová forma energie,“ povedal Steinhardt. „Temná hmota určila našu minulosť. Temná energia určí našu budúcnosť.“
Moderná a budúca kozmológia
Súčasné kozmologické balíčky tieto významné objavy objavujú vo svojom vrcholnom úspechu, v modeli Lambda-CDM. Tento zväzok rovníc, ktorý sa niekedy nazýva štandardným kozmologickým modelom, opisuje vesmír od jeho prvej sekundy. Model predpokladá určité množstvo temnej energie (lambda, pre jej znázornenie vo všeobecnej relativite) a studenej temnej hmoty (CDM) a robí podobné odhady o množstve viditeľnej hmoty, tvare vesmíru a ďalších charakteristikách, všetko určené experimentmi. a pozorovania.
Zahrajte si ten detský vesmírny film vpred o 13,8 miliárd rokov a kozmológovia získajú snímku, ktorý „štatisticky má všetko, čo môžeme do určitej miery zmerať,“ uviedol Steinhardt. Tento model predstavuje cieľ, ktorý treba poraziť, keď kozmológovia presúvajú svoje popisy vesmíru hlbšie do minulosti a do budúcnosti.
Rovnako úspešný ako Lambda-CDM, stále existuje veľa uzlov, ktoré si vyžadujú cvičenie. Kozmológovia získajú protichodné výsledky, keď sa snažia študovať súčasnú expanziu vesmíru, v závislosti od toho, či ich zmerajú priamo v blízkych galaxiách alebo z toho odvodia z CMB. Tento model tiež nehovorí nič o zložení temnej hmoty alebo energie.
Potom je tu nepríjemná prvá sekunda existencie, keď sa vesmír pravdepodobne presunul z nekonečnej škvrny do relativisticky dobre vychovanej bubliny. „Inflácia“ je populárna teória, ktorá sa snaží zvládnuť toto obdobie a vysvetľuje, ako krátky okamih ešte rýchlejšej expanzie vyhodil do vzduchu nepatrné prvotné variácie do rozsiahlych nerovností dnešných galaxií, ako aj to, ako vstupy Lambda-CDM získali svoje hodnoty. ,
Nikto však nevie, ako inflácia fungovala podrobne, alebo prečo sa zastavila tam, kde to pravdepodobne bolo. Steinhardt povedal, že inflácia by mala pokračovať v mnohých oblastiach vesmíru, čo naznačuje, že náš vesmír je iba jedným kúskom „multiverza“ obsahujúceho každú možnú fyzickú realitu - čo je neskúšateľná myšlienka, ktorú mnohí experimentátori považujú za znepokojujúcu.
S cieľom napredovať v týchto otázkach sa kozmológovia zameriavajú na presné merania z vesmírnych teleskopov, ako je Hubbleov vesmírny teleskop a nadchádzajúci vesmírny teleskop Jamesa Weba, ako aj na experimenty v novo vznikajúcej oblasti gravitačnej vlnovej astronómie, ako je napríklad Nadácia National Science Foundation. Gravitačné vlnové observatórium s laserovým interferónom. Kozmológovia sa tiež pripájajú k fyzikom častíc a astrofyzikom v interdisciplinárnej rase s cieľom zistiť častice temnej hmoty.
Rovnako ako kozmológia nemohla začať, kým nedospeli iné odvetvia fyziky, nebude môcť dokončiť odhalenie histórie vesmíru, kým nebudú ostatné oblasti úplnejšie. “Aby ste ten príbeh vyrovnali, musíte vypracovať v podstate všetky zákony fyziky vo všetkých energetických mierkach a za všetkých podmienok, “uviedol Steinhardt. „A zmena ktoréhokoľvek z nich by mohla radikálne zmeniť kozmologický príbeh.“
Farrar povedala, že nevie, či sa to stane, ale diví sa, že ľudia pochopili komplexnosť vesmíru tak, ako majú. „Je úžasné, že sa ľudský mozog vyvinul do tej miery, že na tieto otázky sa dá evidentne odpovedať,“ uviedla. „Aspoň niektorí.“
dodatočný zdroje:
