Tisoč let so ljudje opazovali zvezde in se spraševali, kako nastaja vesolje. Toda šele v letih prve svetovne vojne so raziskovalci razvili prve opazovalne instrumente in teoretična orodja, s katerimi so ta velika vprašanja preoblikovali v natančno študijsko področje: kozmologijo.
"Mislim, da je kozmologija ena najstarejših tem, ki jo zanima človek, ampak kot ena najnovejših znanosti," je dejal Paul Steinhardt, kozmolog z univerze Princeton, ki preučuje, ali ima čas začetek.
Kozmologija na kratko preučuje kozmos kot eno celoto, namesto da ločeno analizira zvezde, črne luknje in galaksije, ki ga zapolnjujejo. To polje postavlja velika vprašanja: Od kod je prišlo vesolje? Zakaj ima zvezde, galaksije in galaksije? Kaj se bo zgodilo naprej? "Kozmologija poskuša narediti zelo obsežno sliko narave vesolja," je dejal Glennys Farrar, fizik delcev na newyorški univerzi.
Ker se ta disciplina spopada s številnimi pojavi, od delcev v vakuumu do tkanine prostora in časa, kozmologija močno črpa na številnih področjih, vključno z astronomijo, astrofiziko in vse bolj fiziko delcev.
"Kozmologija ima njene dele, ki so v celoti v fiziki, dele, ki so v celoti v astrofiziki, in dele, ki gredo naprej in nazaj," je dejal Steinhardt. "To je del navdušenja."
Zgodovina zgodovine vesolja
Interdisciplinarna narava polja pomaga razložiti njegov razmeroma pozen začetek. Naša sodobna slika vesolja se je začela sestavljati šele v dvajsetih letih prejšnjega stoletja, kmalu potem, ko je Albert Einstein razvil teorijo splošne relativnosti, matematični okvir, ki opisuje gravitacijo kot posledico upogiba prostora in časa.
"Preden razumete naravo gravitacije, v resnici ne morete narediti teorije, zakaj so stvari takšne, kot so," je dejal Steinhardt. Druge sile imajo večje učinke na delce, toda gravitacija je glavni akter v areni planetov, zvezd in galaksij. Opis gravitacije Isaaca Newtona pogosto deluje tudi v tem prostoru, vendar obravnava prostor (in čas) kot togo in nespremenljivo ozadje za merjenje dogodkov. Einsteinovo delo je pokazalo, da se vesolje lahko širi in krči, preusmeri vesolje z odra na igralca in ga pripelje v prepad kot dinamičen predmet za preučevanje.
Sredi dvajsetih let prejšnjega stoletja je astronom Edwin Hubble opazoval nedavno zgrajeni 100-palčni (254 centimetrski) teleskop Hooker v observatoriju Mount Wilson v Kaliforniji. Poskušal je rešiti razpravo o lokaciji določenih oblakov v vesolju, ki bi jih astronomi lahko videli. Hubble je dokazal, da te "meglice" niso bile majhni, lokalni oblaki, ampak so bile ogromne, oddaljene zvezdne gruče, podobne naši lastni Mlečni poti - "otoški vesolji" v takratnem parlamentu. Danes jim rečemo galaksije in vemo, da jih šteje v trilijonih.
Največji preobrati v kozmični perspektivi še niso prišli. Hubblejevo delo v poznih dvajsetih letih prejšnjega stoletja je nakazovalo, da se galaksije v vse smeri odrivajo od nas, kar je sprožilo desetletja nadaljnje razprave. Morebitne meritve kozmičnega mikrovalovnega ozadja (CMB) - svetlobe, ki je ostala od zgodnjih let vesolja in ker se je raztezala v mikrovalovne pečice - so v šestdesetih letih prejšnjega stoletja dokazale, da resničnost ustreza eni od možnosti, ki jo predlaga splošna relativnost: Začenši z majhnim in vročim, vesolje ima od takrat postajajo večji in hladnejši. Koncept je postal znan kot teorija velikega poka in je vznemirjal kozmologe, ker je namigoval, da ima celo vesolje lahko začetek in konec.
Toda vsaj ti astronomi so lahko videli teles galaksije v svojih teleskopih. Farrar je eden najbolj seizmičnih premikov kozmologije, ideja, da je velika večina stvari tam narejena iz nečesa drugega, nekaj povsem nevidnega. Gradivo, ki ga lahko vidimo, pomeni le nekaj več kot napako kozmičnega zaokroževanja - le približno 5% vsega v vesolju.
Prvi prebivalec drugih 95% vesolja, ki se imenuje "temni sektor", je vzniknil svojo glavo v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja. Takrat je astronomka Vera Rubin spoznala, da se galaksije vrtijo tako hitro, da bi se morale razkrojiti. Farrar je več kot težko pričakovana snov, ki mora vsebovati galaksije skupaj, fizikom pa je nekaj popolnoma neznanega, nekaj, kar - razen njegovega gravitacijskega vleka - popolnoma ignorira navadno snov in svetlobo. Poznejše kartiranje je razkrilo, da so galaksije, ki jih vidimo, preprosto jedra v središču kolosalnih sfer "temne snovi". Vlakne vidne snovi, ki se raztezajo po vesolju, visijo na temnem okvirju, ki od pet do enega odtehta vidne delce.
Vesoljski teleskop Hubble je nato odkril znake nepričakovane raznolike energije - za katero kozmologi zdaj pravijo, da je preostalih 70% vesolja, potem ko so predstavljali temno snov (25%) in vidno snov (5%) - v devetdesetih letih prejšnjega stoletja, ko je urejal je širitev vesolja tako hitro, kot je pobegnil vlak. "Temna energija", morda vrsta energije, ki je lastna vesolju, potiska vesolje narazen hitreje, kot lahko gravitacija sestavi kozmos skupaj. V trilijonu let se bodo vsi astronomi, ki so ostali na Mlečni poti, znašli v pravem otoškem vesolju, ki ga je zajel temo.
"Smo v prehodni točki v zgodovini vesolja, od koder prevladuje materija do mesta, kjer prevladuje nova oblika energije," je dejal Steinhardt. "Temna materija je določila našo preteklost. Temna energija bo določila našo prihodnost."
Sodobna in prihodnja kozmologija
Sedanja kozmološka embalaža ta pomembna odkritja predstavlja njen vrhunski dosežek, model Lambda-CDM. Vzpon, ki ga včasih imenujemo standardni model kozmologije, opisuje vesolje od njegove prve sekunde naprej. Model predvideva določeno količino temne energije (lambda, za njeno reprezentativnost v splošni relativnosti) in hladne temne snovi (CDM) in podobna ugibanja o količini vidne snovi, obliki vesolja in drugih značilnostih, vse to določajo poskusi in opažanja.
Predvajajte ta film za dojenčke in vesolje 13,8 milijarde let in kozmologi dobijo posnetek, da "statistično imamo vse, kar lahko izmerimo do določene točke," je dejal Steinhardt. Ta model predstavlja cilj, ki jo je treba premagati, ko kozmologi potiskajo svoje opise vesolja globlje v preteklost in prihodnost.
Tako uspešen kot je bil Lambda-CDM, ima še vedno veliko zank, ki jih je treba razviti. Kozmologi dobijo nasprotujoče si rezultate, ko poskušajo preučiti trenutno širitev vesolja, odvisno od tega, ali ga izmerijo neposredno v bližnjih galaksijah ali ga sklepajo na CMB. Tudi ta model ne pove ničesar o ličenju temne snovi ali energije.
Potem je tu še težavna prva sekunda obstoja, ko je vesolje domnevno prešlo iz neskončno najmanjše pike v relativistično dobro voden mehurček. "Inflacija" je priljubljena teorija, ki poskuša obvladati to obdobje, in razloži, kako je kratek trenutek še hitrejšega razmaha razblinil majhne prvinske spremembe v obsežne neravnine današnjih galaksij, pa tudi, kako so vhodi Lambda-CDM dobili svoje vrednosti .
Nihče ne ve, kako je inflacija podrobno delovala, ali zakaj se je ustavila tam, kjer se domneva. Steinhardt je dejal, da bi se inflacija morala nadaljevati v mnogih vesoljskih regijah, kar pomeni, da je naše vesolje le en delček "multiverzuma", ki vsebuje vsako možno fizično resničnost - nevzdržna ideja, ki jo mnogi eksperimentalisti menijo, da vznemirja.
Da bi dosegli napredek pri vprašanjih, kot so ta, kozmologi iščejo natančne meritve iz vesoljskih teleskopov, kot so vesoljski teleskop Hubble in prihajajoči vesoljski teleskop James Webb, pa tudi poskuse na nastajajočem področju astronomije gravitacijskih valov, kot je Nacionalna znanstvena fundacija Laser Interferometer Gravitacijski valovni observatorij. Kozmologi se v interdisciplinarni tekmi pridružijo tudi fizikom delcev in astrofiziki za odkrivanje delcev temne snovi.
Tako kot se kozmologija ne bi mogla začeti, dokler niso zorele druge veje fizike, tudi ne bo mogel dokončati razkrivanja zgodovine vesolja, dokler druga področja ne bodo popolnejša. " zakoni fizike na vseh energetskih lestvicah in v vseh pogojih, "je dejal Steinhardt. "In sprememba katerega koli od teh bi lahko korenito spremenila kozmološko zgodbo."
Farrarjeva je dejala, da ne ve, ali se bo to zgodilo, vendar se čudi, da so ljudje dojeli toliko kompleksnosti vesolja. "Neverjetno je, da so se človeški možgani razvili do te mere, da je na ta vprašanja očitno mogoče odgovoriti," je dejala. "Vsaj nekateri vsaj."
Dodatno viri:
