Понимание космологии и ее влияния

Космология может быть сложной дисциплиной, поскольку это область изучения физики, которая затрагивает многие другие области. (Хотя, по правде говоря, в наши дни практически все области физики затрагивают многие другие области.) Что такое космология? Что на самом деле делают люди, изучающие его (называемые космологами)? Какие существуют доказательства, подтверждающие их работу?

Краткий обзор космологии

Космология это научная дисциплина, изучающая происхождение и возможную судьбу Вселенной. Это наиболее тесно связано с конкретными областями астрономии и астрофизики, хотя в прошлом веке космология также приблизилась к ключевым открытиям физики элементарных частиц.

Другими словами, мы достигаем увлекательного осознания:

Наше понимание современной космологии основано на соединении поведения крупнейших структур в нашей Вселенной (планеты, звезды, галактики и скопления галактик) вместе с структурами наименьших структур в нашей Вселенной (фундаментальные частицы).

История космологии

Изучение космологии, вероятно, является одной из старейших форм спекулятивного исследования природы, и оно началось в какой-то момент истории, когда древний человек смотрел на небеса, задавали такие вопросы, как:

  • Как мы оказались здесь?
  • Что происходит в ночном небе?
  • Неужели мы одни во Вселенной?
  • Что это за блестящие штуки в небе?

Вы уловили идею.

Древние сделали несколько неплохих попыток объяснить это. Главным среди них в западной научной традиции является физика древних греков, которые разработали всеобъемлющую геоцентрическую модель Вселенной, которая совершенствовалась на протяжении столетий до времен Птолемея, после чего космология действительно не развивалась в течение нескольких столетий. , за исключением некоторых деталей о скоростях различных компонентов системы.

Следующим крупным достижением в этой области стал Николай Коперник в 1543 году, когда он опубликовал свою книгу по астрономии на смертном одре (ожидая, что это вызовет споры с католической церковью), изложив доказательства своей гелиоцентрической модели солнечной системы. Ключевым открытием, которое мотивировало эту трансформацию мышления, было представление о том, что не было реальной причины предполагать, что Земля занимает принципиально привилегированное положение в физическом космосе. Это изменение в предположениях известно как принцип Коперника. Гелиоцентрическая модель Коперника стала еще более популярной и принятой на основе работ Тихо Браге, Галилео Галилея и Иоганна Кеплера, которые накопили существенные экспериментальные данные в поддержку гелиоцентрической модели Коперника..

Однако именно сэр Исаак Ньютон смог объединить все эти открытия, чтобы фактически объяснить движения планет. У него была интуиция и проницательность, чтобы понять, что движение объектов, падающих на Землю, похоже на движение объектов, вращающихся вокруг Земли (по сути, эти объекты постоянно падают вокруг Земли). Поскольку это движение было похожим, он понял, что это, вероятно, вызвано той же силой, которую он назвал гравитацией. Тщательно наблюдая и развивая новую математику, называемую исчислением, и свои три закона движения, Ньютон смог создать уравнения, описывающие это движение в различных ситуациях.

Хотя закон всемирного тяготения Ньютона работал для предсказания движения небес, была одна проблема … было не совсем понятно, как он работает. Теория предполагала, что объекты с массой притягиваются друг к другу в пространстве, но Ньютон не смог разработать научное объяснение механизма, который гравитация использовала для этого. Чтобы объяснить необъяснимое, Ньютон полагался на общий призыв к Богу, в основном, объекты ведут себя таким образом в ответ на совершенное присутствие Бога во вселенной. Чтобы получить физическое объяснение, потребовалось бы ждать более двух столетий, пока не появится гений, чей интеллект может затмить даже интеллект Ньютона.

Общая теория относительности и Большой взрыв

Космология Ньютона доминировала в науке до начала двадцатого века, когда Альберт Эйнштейн разработал свою общую теорию относительности, которая переопределила научное понимание гравитации. В новой формулировке Эйнштейна гравитация была вызвана искривлением 4-мерного пространства-времени в ответ на присутствие массивного объекта, такого как планета, звезда или даже галактика.

Одним из интересных следствий этой новой формулировки было то, что само пространство-время не находилось в равновесии. Довольно быстро ученые поняли, что общая теория относительности предсказывала, что пространство-время будет либо расширяться, либо сжиматься. Поверьте, Эйнштейн считал, что Вселенная на самом деле вечна, он ввел в теорию космологическую постоянную, которая обеспечивала давление, противодействующее расширению или сжатию. Однако, когда астроном Эдвин Хаббл в конце концов обнаружил, что Вселенная на самом деле расширяется, Эйнштейн понял, что совершил ошибку, и удалил космологическую постоянную из теории.

Если Вселенная расширяется, то естественный вывод состоит в том, что если бы вы перемотали вселенную, вы бы увидели, что она, должно быть, началась в крошечном плотном сгустке материи. Эта теория о том, как возникла Вселенная, получила название Теории Большого Взрыва. В середине двадцатого века это была противоречивая теория, поскольку она соперничала за господство с теорией устойчивого состояния Фреда Хойла.. Однако открытие космического микроволнового фонового излучения в 1965 году подтвердило предсказание, которое было сделано в отношении Большого взрыва, поэтому оно получило широкое признание среди физиков.

Хотя было доказано, что он ошибался в отношении теории стационарного состояния, Хойлу приписывают основные достижения в теории звездного нуклеосинтеза, которая заключается в том, что водород и другие легкие атомы превращаются в более тяжелые атомы в ядерных тиглях, называемых звездами. и выплюнуть во вселенную после смерти звезды. Эти более тяжелые атомы затем образуют воду, планеты и, в конечном итоге, жизнь на Земле, включая людей! Таким образом, по словам многих восхищенных космологов, все мы образованы из звездной пыли.

В любом случае, вернемся к эволюции Вселенной. По мере того как ученые получали больше информации о Вселенной и более тщательно измеряли космическое микроволновое фоновое излучение, возникла проблема. По мере проведения подробных измерений астрономических данных стало ясно, что концепции квантовой физики должны играть более важную роль в понимании ранних фаз и эволюции Вселенной. Эта область теоретической космологии, хотя и остается весьма спекулятивной, стала весьма плодотворной и иногда называется квантовой космологией.

Квантовая физика показала Вселенную, которая была довольно близка к быть однородным по энергии и материи, но не полностью однородным. Однако любые флуктуации в ранней Вселенной значительно расширились бы за миллиарды лет, пока Вселенная расширялась … и флуктуации были намного меньше, чем можно было бы ожидать. Поэтому космологам пришлось найти способ объяснить неоднородную раннюю Вселенную, но такую, которая имела только чрезвычайно небольшие колебания.

Вот Алан Гут, физик элементарных частиц, который занялся этой проблемой в 1980 году, разработав теорию инфляции. Колебания в ранней Вселенной были незначительными квантовыми флуктуациями, но они быстро расширялись в ранней Вселенной из-за сверхбыстрого периода расширения. Астрономические наблюдения с 1980 года подтвердили предсказания теории инфляции, и сейчас это мнение единодушно среди большинства космологов.

Тайны современной космологии

Хотя космология за последнее столетие значительно продвинулась вперед, остается несколько открытых загадок. Фактически, две главные загадки современной физики — это главные проблемы космологии и астрофизики:

  • Темная материя — некоторые галактики движутся. таким образом, который не может быть полностью объяснен на основе количества наблюдаемой в них материи (называемой «видимой материей»), но который можно объяснить, если в галактике есть дополнительная невидимая материя. Эта дополнительная материя, которая, согласно последним измерениям, будет занимать около 25% Вселенной, называется темной материей.. В дополнение к астрономическим наблюдениям, эксперименты на Земле, такие как Криогенный поиск темной материи (CDMS), пытаются напрямую наблюдать темную материю.
  • Темная энергия — в 1998 году астрономы попытались определить скорость, с которой Вселенная замедлялась … но они обнаружили, что это не замедляется. Фактически, скорость разгона увеличивалась. Похоже, что космологическая постоянная Эйнштейна в конце концов была необходима, но вместо того, чтобы удерживать Вселенную в состоянии равновесия, она на самом деле, кажется, раздвигает галактики все быстрее и быстрее с течением времени. Точно неизвестно, что вызывает эту «отталкивающую гравитацию», но физики назвали это вещество «темной энергией». Астрономические наблюдения предсказывают, что эта темная энергия составляет около 70% вещества Вселенной.

Есть и другие предложения, объясняющие эти необычные результаты, такие как модифицированная ньютоновская динамика (MOND) и космология переменной скорости света, но эти альтернативы считаются второстепенными теориями, которые не принимаются многими физиками в этой области.

Происхождение Вселенной

Стоит отметить, что теория большого взрыва фактически описывает путь развития Вселенной вскоре после ее создания, но не может дать никакой прямой информации о фактическом происхождении Вселенной. .

Это не означает, что физика ничего не может сказать нам о происхождении Вселенной. Когда физики исследуют пространство в мельчайших масштабах, они обнаруживают, что квантовая физика приводит к созданию виртуальных частиц, о чем свидетельствует эффект Казимира. Фактически, теория инфляции предсказывает, что в отсутствие какой-либо материи или энергии пространство-время будет расширяться. Таким образом, если принять за чистую монету, это дает ученым разумное объяснение того, как Вселенная могла изначально возникнуть. Если бы было истинное «ничто», ни материя, ни энергия, ни пространство-время, тогда это ничто не было бы нестабильным и начало бы генерировать материю, энергию и расширяющееся пространство-время. Это центральный тезис таких книг, как Великий замысел и Вселенная из ничего , в которых утверждается, что вселенная может быть объяснена без ссылки на сверхъестественного создателя. божество.

Роль человечества в космологии

Трудно переоценить космологический, философский и, возможно, даже теологический важность признания того, что Земля не была центром космоса. В этом смысле космология — одна из первых областей, где были получены свидетельства, противоречащие традиционному религиозному мировоззрению. Фактически, каждый прогресс в космологии, казалось, идет вразрез с самыми заветными предположениями, которые мы хотели бы сделать о том, насколько особенным является человечество как вид … по крайней мере, с точки зрения космологической истории.. Этот отрывок из Великого замысла Стивена Хокинга и Леонарда Млодинова красноречиво описывает трансформацию мышления, пришедшую из космологии:

Гелиоцентрическая модель солнечной системы Николая Коперника признана первой убедительной научной демонстрацией того, что мы, люди, не являемся фокусом космоса … Теперь мы понимаем, что результат Коперника — всего лишь один из серия вложенных понижения в должности, опровергающих давние предположения об особом статусе человечества: мы не находимся в центре солнечной системы, мы не находимся в центре галактики, мы не находимся в центре Вселенная, мы даже не сделаны из темных ингредиентов, составляющих подавляющую часть массы Вселенной. Такое космическое понижение … служит примером того, что ученые сейчас называют принципом Коперника: в общем плане все, что мы знаем, указывает на то, что люди не занимают привилегированного положения.

Оцените статью
recture.ru
Добавить комментарий