Κατανόηση της κοσμολογίας και των επιπτώσεών της

Η κοσμολογία μπορεί να είναι μια δύσκολη πειθαρχία για να πάρετε μια λαβή, καθώς είναι ένα πεδίο σπουδών μέσα στη φυσική που αγγίζει σε πολλούς άλλους τομείς. (Αν και, αλήθεια, αυτές τις μέρες σχεδόν όλα τα πεδία της μελέτης στο φυσικό επαφή σε πολλούς άλλους τομείς.) Τι είναι η κοσμολογία; Τι πραγματικά κάνουν όσοι το σπουδάζουν (αποκαλούμενοι κοσμολόγοι); Ποια στοιχεία υπάρχουν για να στηρίξουν το έργο τους;

Κοσμολογία είναι η πειθαρχία της επιστήμης που μελετά την προέλευση και την τελική τύχη του σύμπαντος. Είναι πιο στενά συνδεδεμένο με τα συγκεκριμένα πεδία της αστρονομίας και της αστροφυσικής, αν και ο τελευταίος αιώνας έχει επίσης φέρει την κοσμολογία στενά ευθυγραμμισμένη με τις βασικές γνώσεις της σωματιδιακής φυσικής.

Με άλλα λόγια, φτάνουμε σε μια συναρπαστική συνειδητοποίηση:

Η κατανόηση της σύγχρονης κοσμολογίας προέρχεται από τη σύνδεση της συμπεριφοράς του μεγαλύτερη δομές στο σύμπαν μας (πλανήτες, αστέρια, γαλαξίες και ομάδες γαλαξιών) μαζί με εκείνες του μικρότερο δομές στο σύμπαν μας (θεμελιώδη σωματίδια).

Η μελέτη της κοσμολογίας είναι πιθανώς μία από τις παλαιότερες μορφές κερδοσκοπικής έρευνας στη φύση και ξεκίνησε σε κάποιο σημείο της ιστορίας, όταν ένας αρχαίος άνθρωπος κοίταζε προς τον ουρανό, έθεσε ερωτήματα όπως το ΕΠΟΜΕΝΟ:

• Πώς ήρθαμε εδώ;
• Τι συμβαίνει στον νυχτερινό ουρανό;
• Είμαστε μόνοι στο σύμπαν;
• Ποια είναι αυτά τα λαμπερά πράγματα στον ουρανό;

Έχετε την ιδέα.

Οι αρχαίοι ήρθαν με κάποιες πολύ καλές προσπάθειες να τους εξηγήσουν. Επικεφαλής μεταξύ αυτών στη δυτική επιστημονική παράδοση είναι η φυσική των αρχαίων Ελλήνων, ο οποίος ανέπτυξε ένα περιεκτικό γεωκεντρικό μοντέλο του σύμπαντος που εξευγενίσθηκε κατά τη διάρκεια των αιώνων μέχρι την εποχή του Πτολεμαίου, στο σημείο αυτό η κοσμολογία πραγματικά δεν αναπτύχθηκε περαιτέρω για αρκετούς αιώνες, εκτός από μερικές από τις λεπτομέρειες σχετικά με τις ταχύτητες των διαφόρων συνιστωσών του Σύστημα.

Η επόμενη σημαντική πρόοδος σε αυτόν τον τομέα προήλθε από τον Νικολάου Κοπέρνικους το 1543, όταν δημοσίευσε το βιβλίο αστρονομίας στο θάνατό του (προβλέποντας ότι θα προκαλούσε διαμάχη με την Καθολική Εκκλησία), υπογραμμίζοντας τα στοιχεία για το ηλιοκεντρικό μοντέλο του ηλιακού Σύστημα. Η βασική ιδέα που προκάλεσε αυτή τη μεταμόρφωση στη σκέψη ήταν η αντίληψη ότι δεν υπήρχε πραγματική λόγος να υποθέσουμε ότι η Γη περιέχει μια θεμελιωδώς προνομιακή θέση μέσα στο φυσικό σύμπαν. Αυτή η αλλαγή στις παραδοχές είναι γνωστή ως Αρχή του Κοπερνέικου. Το ηλιοκεντρικό μοντέλο του Κοπέρνικου έγινε ακόμα πιο δημοφιλές και έγινε αποδεκτό με βάση το έργο του Tycho Brahe, Galileo Galilei, και Johannes Kepler, οι οποίοι συγκέντρωσαν σημαντικά πειραματικά στοιχεία για την υποστήριξη του ηφαιστειακού μοντέλου Copernican.

Ήταν Ο Sir Isaac Newton ο οποίος ήταν σε θέση να φέρει μαζί όλα αυτά τα ευρήματα στην εξήγηση των πλανητικών κινήσεων. Είχε τη διαίσθηση και τη διορατικότητα να συνειδητοποιήσει ότι η κίνηση αντικειμένων που πέφτουν στη γη ήταν παρόμοια με την κίνηση αντικειμένων που περιστρέφονται γύρω από τη Γη (στην ουσία, αυτά τα αντικείμενα συνεχώς πέφτουν περίπου η γη). Δεδομένου ότι η κίνηση αυτή ήταν παρόμοια, συνειδητοποίησε ότι πιθανότατα προκλήθηκε από την ίδια δύναμη, την οποία κάλεσε βαρύτητα. Με προσεκτική παρατήρηση και ανάπτυξη νέων μαθηματικών λογισμός και το δικό του τρεις νόμους κίνησης, Ο Newton ήταν σε θέση να δημιουργήσει εξισώσεις που περιγράφουν αυτή την κίνηση σε διάφορες καταστάσεις.

Αν και ο νόμος της βαρύτητας του Νεύτωνα λειτούργησε στην πρόβλεψη της κίνησης των ουρανών, υπήρχε ένα πρόβλημα... δεν ήταν ξεκάθαρο πώς λειτουργεί. Η θεωρία πρότεινε ότι αντικείμενα με μαζική αλληλεπίδραση προσελκύουν ο ένας τον άλλο, αλλά ο Νεύτωνας δεν ήταν σε θέση να αναπτύξει μια επιστημονική εξήγηση για το μηχανισμό που η βαρύτητα χρησιμοποίησε για να το επιτύχει αυτό. Για να εξηγήσει το ανεξήγητο, ο Νεύτωνας στηρίχθηκε σε μια γενική έκκληση προς τον Θεό, βασικά, τα αντικείμενα συμπεριφέρονται με αυτόν τον τρόπο ως απόκριση στην τέλεια παρουσία του Θεού στο σύμπαν. Για να πάρει μια φυσική εξήγηση θα περίμενε πάνω από δύο αιώνες, μέχρι την άφιξη μιας ιδιοφυΐας της οποίας η διάνοια θα μπορούσε να εκλείψει ακόμα και εκείνη του Νεύτωνα.

Η κοσμολογία του Νεύτωνα κυριάρχησε στην επιστήμη μέχρι τις αρχές του 20ού αιώνα Albert Einstein ανέπτυξε τη θεωρία του γενική σχετικότητα, η οποία επαναπροσδιόρισε την επιστημονική κατανόηση της βαρύτητας. Στη νέα διατύπωση του Αϊνστάιν, η βαρύτητα προκλήθηκε από την κάμψη του τετραδιάστατου χωροχρόνου ως απάντηση στην παρουσία ενός μαζικού αντικειμένου, όπως ένας πλανήτης, ένα αστέρι ή ακόμα και ένας γαλαξίας.

Μία από τις ενδιαφέρουσες συνέπειες αυτής της νέας διατύπωσης ήταν ότι ο χωροχρόνος καθαυτός δεν ήταν σε ισορροπία. Σε αρκετά σύντομη σειρά, οι επιστήμονες συνειδητοποίησαν ότι η γενική σχετικότητα προβλέπει ότι ο χωροχρόνος είτε θα επεκταθεί είτε θα συρρικνωθεί. Πιστέψτε ότι ο Αϊνστάιν πίστευε ότι το σύμπαν ήταν πραγματικά αιώνιο, εισήγαγε ένα κοσμολογική σταθερά στη θεωρία, η οποία παρείχε μια πίεση που εξουδετερούσε την επέκταση ή συστολή. Ωστόσο, όταν ο αστρονόμος Edwin Hubble ανακάλυψε τελικά ότι το σύμπαν επεκτάθηκε στην πραγματικότητα, ο Αϊνστάιν συνειδητοποίησε ότι έκανε λάθος και αφαιρέθηκε από τη θεωρία την κοσμολογική σταθερά.

Εάν το σύμπαν επεκτεινόταν, τότε το φυσικό συμπέρασμα είναι ότι εάν επρόκειτο να γυρίσετε ξανά το σύμπαν, θα δείτε ότι πρέπει να έχει αρχίσει σε μια μικροσκοπική, πυκνή συσσωμάτωση της ύλης. Αυτή η θεωρία του πώς άρχισε το σύμπαν αποκαλείται Θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης. Αυτή ήταν μια αμφιλεγόμενη θεωρία μέσα από τις μεσαίες δεκαετίες του εικοστού αιώνα, καθώς φάνηκε για κυριαρχία έναντι του Fred Hoyle θεωρία σταθερής κατάστασης. Η ανακάλυψη της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου μικροκυμάτων το 1965, ωστόσο, επιβεβαίωσε μια πρόβλεψη που είχε γίνει σε σχέση με το μεγάλο κτύπημα, έτσι έγινε ευρέως αποδεκτή μεταξύ των φυσικών.

Αν και αποδείχθηκε λάθος για τη θεωρία σταθερής κατάστασης, ο Hoyle πιστώνεται με τις σημαντικές εξελίξεις στη θεωρία του αστρική νουκλεοσύνθεση, η οποία είναι η θεωρία ότι το υδρογόνο και άλλα ελαφρά άτομα μετασχηματίζονται σε βαρύτερα άτομα μέσα στα πυρηνικά χωνευτήρια που ονομάζονται αστέρια και φτύνουν στο σύμπαν μετά τον θάνατο του αστεριού. Αυτά τα βαρύτερα άτομα συνεχίζουν να σχηματίζονται σε νερό, πλανήτες και τελικά στη ζωή στη Γη, συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων! Έτσι, με τα λόγια πολλών κοσμολόγων φοβισμένων, είμαστε όλοι σχηματισμένοι από αστέρι.

Τέλος πάντων, πίσω στην εξέλιξη του σύμπαντος. Καθώς οι επιστήμονες κέρδισαν περισσότερες πληροφορίες σχετικά με το σύμπαν και μελετούσαν πιο προσεκτικά την κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία, υπήρχε ένα πρόβλημα. Δεδομένου ότι λήφθηκαν λεπτομερείς μετρήσεις των αστρονομικών δεδομένων, κατέστη σαφές ότι οι έννοιες από την κβαντική η φυσική έπρεπε να διαδραματίσει σημαντικότερο ρόλο στην κατανόηση των αρχικών φάσεων και της εξέλιξης της σύμπαν. Αυτός ο τομέας της θεωρητικής κοσμολογίας, αν και είναι ακόμα εξαιρετικά κερδοσκοπικός, έχει αυξηθεί αρκετά γόνιμα και μερικές φορές ονομάζεται κβαντική κοσμολογία.

Η κβαντική φυσική έδειξε ένα σύμπαν που ήταν αρκετά κοντά στην ομοιόμορφη ενέργεια και την ύλη, αλλά δεν ήταν εντελώς ομοιόμορφη. Ωστόσο, τυχόν διακυμάνσεις στο πρώιμο σύμπαν θα είχαν επεκταθεί σε μεγάλο βαθμό στα δισεκατομμύρια των ετών που το σύμπαν επεκτάθηκε... και οι διακυμάνσεις ήταν πολύ μικρότερες από τις αναμενόμενες. Έτσι οι κοσμολόγοι έπρεπε να καταλάβουν έναν τρόπο να εξηγήσουν ένα μη ομοιόμορφο πρώιμο σύμπαν, αλλά αυτό που είχε μόνο εξαιρετικά μικρές διακυμάνσεις.

Εισάγετε τον Alan Guth, έναν φυσικό σωματιδίων που αντιμετώπισε το πρόβλημα αυτό το 1980 με την ανάπτυξη του θεωρία πληθωρισμού. Οι διακυμάνσεις στο πρώιμο σύμπαν ήταν μικρές κβαντικές διακυμάνσεις, αλλά γρήγορα επεκτάθηκαν στο πρώιμο σύμπαν εξαιτίας μιας εξαιρετικά γρήγορης περιόδου επέκτασης. Οι αστρονομικές παρατηρήσεις από το 1980 έχουν υποστηρίξει τις προβλέψεις της θεωρίας του πληθωρισμού και είναι τώρα η συναίνεση μεταξύ των περισσότερων κοσμολόγων.

Αν και η κοσμολογία έχει προχωρήσει πολύ κατά τον τελευταίο αιώνα, υπάρχουν ακόμα πολλά ανοιχτά μυστήρια. Στην πραγματικότητα, δύο από τα κεντρικά μυστήρια της σύγχρονης φυσικής είναι τα κυρίαρχα προβλήματα στην κοσμολογία και την αστροφυσική:

• Σκοτεινή ύλη - Μερικοί γαλαξίες κινούνται με τρόπο που δεν μπορεί να εξηγηθεί πλήρως με βάση την ποσότητα της ύλης που είναι (που ονομάζεται "ορατή ύλη"), αλλά που μπορεί να εξηγηθεί εάν υπάρχει ένα επιπλέον αόρατο θέμα εντός του γαλαξίας. Αυτή η επιπλέον ύλη, η οποία προβλέπεται να πάρει περίπου το 25% του σύμπαντος, με βάση τις πιο πρόσφατες μετρήσεις, ονομάζεται σκοτεινή ύλη. Εκτός από τις αστρονομικές παρατηρήσεις, πειράματα στη Γη, όπως το Cryogenic Dark Matter Αναζήτηση (CDMS) προσπαθούν να παρατηρήσουν άμεσα τη σκοτεινή ύλη.
• Σκοτεινή ενέργεια - Το 1998, οι αστρονόμοι προσπάθησαν να ανιχνεύσουν το ρυθμό με τον οποίο επιβραδύνεται το σύμπαν... αλλά διαπίστωσαν ότι δεν επιβραδύνει. Στην πραγματικότητα, ο ρυθμός επιτάχυνσης επιταχύνθηκε. Φαίνεται ότι η κοσμολογική σταθερά του Αϊνστάιν ήταν τελικά αναγκαία, αλλά αντί να κρατάμε το σύμπαν ως α κατάσταση ισορροπίας φαίνεται να πιέζει τους γαλαξίες με ταχύτερο και ταχύτερο ρυθμό όσο περνά ο καιρός επί. Είναι άγνωστο ακριβώς τι προκαλεί αυτή την «απωστική βαρύτητα», αλλά το φυσικό όνομα που έχουν δώσει σε αυτή την ουσία είναι "σκοτεινή ενέργεια". Οι αστρονομικές παρατηρήσεις προβλέπουν ότι αυτή η σκοτεινή ενέργεια αποτελεί περίπου το 70% του σύμπαντος ουσία.

Υπάρχουν κάποιες άλλες προτάσεις για να εξηγήσετε αυτά τα ασυνήθιστα αποτελέσματα, όπως το Modified Newtonian Dynamics (MOND) και η μεταβλητή ταχύτητα της φωτεινής κοσμολογίας, αλλά αυτές οι εναλλακτικές λύσεις θεωρούνται περιθωριακές θεωρίες που δεν γίνονται αποδεκτές από πολλούς φυσικούς στην πεδίο.

Αξίζει να σημειωθεί ότι η θεωρία του Big Bang περιγράφει πραγματικά τον τρόπο που έχει εξελιχθεί το σύμπαν από τότε λίγο μετά τη δημιουργία του, αλλά δεν μπορεί να δώσει άμεσες πληροφορίες σχετικά με την πραγματική προέλευση του σύμπαν.

Αυτό δεν σημαίνει ότι η φυσική δεν μπορεί να μας πει τίποτε για την προέλευση του σύμπαντος. Όταν οι φυσικοί διερευνήσουν τη μικρότερη κλίμακα χώρου, διαπιστώνουν ότι η κβαντική φυσική έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία εικονικών σωματιδίων, όπως αποδεικνύεται από την Εφέ Casimir. Στην πραγματικότητα, η θεωρία του πληθωρισμού προβλέπει ότι, ελλείψει οποιασδήποτε ύλης ή ενέργειας, τότε ο χώρος θα επεκταθεί. Λαμβανομένης υπόψη της ονομαστικής αξίας, αυτό, συνεπώς, δίνει στους επιστήμονες μια λογική εξήγηση για το πώς θα μπορούσε να δημιουργηθεί αρχικά το σύμπαν. Εάν υπήρχε ένα αληθινό «τίποτα», τίποτα, ενέργεια, χωροχρόνο, τότε ότι τίποτα δεν θα ήταν ασταθές και θα άρχιζε να παράγει ύλη, ενέργεια και διαστελλόμενο χωροχρόνο. Αυτή είναι η κεντρική θέση των βιβλίων όπως Το Μεγάλο Σχέδιο και Ένα σύμπαν από το τίποτα, που θέτουν ότι το σύμπαν μπορεί να εξηγηθεί χωρίς αναφορά σε μια υπερφυσική θεότητα δημιουργού.

Θα ήταν δύσκολο να υπογραμμιστεί υπερβολικά η κοσμολογική, φιλοσοφική και ίσως και θεολογική σημασία της αναγνώρισης ότι η Γη δεν ήταν το κέντρο του Κόσμου. Με αυτή την έννοια, η κοσμολογία είναι ένας από τους πρώτους τομείς που έφεραν στοιχεία που έρχονταν σε αντίθεση με την παραδοσιακή θρησκευτική κοσμοθεωρία. Στην πραγματικότητα, κάθε πρόοδος στην κοσμολογία φάνηκε να πετάει μπροστά στις πιο αγαπημένες υποθέσεις που θα θέλαμε να κάνουμε σχετικά με το πώς η ειδική ανθρωπότητα είναι ως είδος... τουλάχιστον όσον αφορά την κοσμολογική ιστορία. Αυτό το απόσπασμα από Το Μεγάλο Σχέδιο με Stephen Hawking και ο Leonard Mlodinow εξηγεί με εξαιρετικό τρόπο τη μεταμόρφωση στη σκέψη που προέρχεται από την κοσμολογία:

Το ηλιοκεντρικό μοντέλο του ηλιακού συστήματος του Nicolaus Copernicus αναγνωρίζεται ως η πρώτη πειστική επιστημονική επίδειξη ότι εμείς οι άνθρωποι δεν είμαστε το επίκεντρο του σύμπαντος... Συνειδητοποιούμε τώρα ότι το αποτέλεσμα του Κοπέρνικου είναι μόνο ένα από μια σειρά από ένθετες υποβιβασμούς που ανατρέπουν παρατεταμένες παραδοχές σχετικά με την ιδιαίτερη κατάσταση της ανθρωπότητας: δεν βρισκόμαστε στο κέντρο του ηλιακού συστήματος, δεν βρισκόμαστε στο κέντρο του γαλαξία, είμαστε που δεν βρίσκονται στο κέντρο του σύμπαντος, δεν φτιάχνουμε καν τα σκοτεινά συστατικά που αποτελούν τη συντριπτική πλειοψηφία του τη μάζα του σύμπαντος. Μια τέτοια κοσμική υποβάθμιση... εξηγεί αυτό που οι επιστήμονες ονομάζουν τώρα την αρχή του Κοπέρνικα: στο μεγάλο σχέδιο των πραγμάτων, όλα όσα γνωρίζουμε δείχνουν ότι τα ανθρώπινα όντα δεν κατέχουν προνομιακή θέση.