Разумевање космологије и њен утицај

Козмологија може бити тешка дисциплина за решавање, јер је она област физике која се тиче многих других области. (Иако, истина, у данашње време прилично све области проучавања физике додирују многа друга подручја.) Шта је космологија? Шта људи који то проучавају (звани космолози) заправо раде? Који докази постоје у прилог њиховом раду?

Козмологија је дисциплина наука која проучава порекло и евентуалну судбину универзума. Највише је повезан са специфичним областима астрономије и астрофизике, мада је прошлог века космологију такође уско ускладио са кључним увидима из физике честица.

Другим речима, стижемо до фасцинантне спознаје:

Наше разумевање савремене космологије долази из повезивања понашања највећи структуре у нашем универзуму (планете, звезде, галаксије и галаксије) заједно са оним из најмањи структуре у нашем универзуму (фундаменталне честице).

Студирање космологије је вероватно један од најстаријих облика спекулативног истраживања природе, и почело је у неком тренутку историје када је древни човек погледао према небу и постављао питања попут следећи:

• Како смо дошли да будемо овде?
• Шта се дешава на ноћном небу?
• Да ли смо сами у свемиру?
• Које су то сјајне ствари на небу?

Идеш.

Древни су наишли на прилично добре покушаје да то објасне. Главни међу њима у западној научној традицији је физика старих Грка, који је развио свеобухватни геоцентрични модел свемира који је вековима усавршаван до времена Птоломеја, у којем тренутку космологија се заиста није развијала даље вековима, осим у неким детаљима о брзинама различитих компоненти систем.

Следећи велики напредак у овом подручју дошао је од Николе Коперника 1543. године, када је објавио своју астрономску књигу на смртној постељи (предвиђајући да ће то изазвати контроверзу с Католичком црквом), износећи доказе за његов хелиоцентрични модел сунца систем. Кључни увид који је мотивисао ову трансформацију у размишљању била је идеја да не постоји стварност разлог за претпоставити да Земља садржи фундаментално привилеговани положај у физичком космос. Ова промена у претпоставкама је позната и као Коперников принцип. Коперников Хелиоцентрични модел постао је још популарнији и прихваћенији на основу дела Тхоха Брахеа, Галилео Галилеи, и Јоханнес Кеплер, који је сакупио значајне експерименталне доказе у прилог Коперниковом хелиоцентричном моделу.

Било је Сир Исаац Невтон који је био у стању да сва та открића споји у стварно објашњавање планетарних покрета. Имао је интуицију и увид да схвати да је кретање објеката који падају на земљу слично кретању објеката који круже око Земље (у суштини ти предмети непрестано падају око земља). Пошто је овај покрет сличан, схватио је да га је вероватно изазвала иста сила, коју је он позвао гравитација. Пажљивим посматрањем и развојем нове математике тзв рачуница и његов три закона кретања, Њутн је успео да створи једначине које су описале овај покрет у различитим ситуацијама.

Иако је Невтонов закон гравитације радио на предвиђању кретања неба, постојао је један проблем... није било баш јасно како то функционише. Теорија је предложила да се предмети са масом привлаче једни друге кроз свемир, али Невтон није био у стању да развије научно објашњење механизма којим гравитација користи да би се то постигло. Да би објаснио необјашњиво, Невтон се ослањао на генерички апел Богу, у основи, предмети се понашају на овај начин као одговор на савршено присуство Бога у универзуму. До физичког објашњења чекало би више од два века, до доласка генија чији би интелект могао помрачити чак и Невтонов.

Невтонова космологија доминирала је науком до почетка двадесетог века када Алберт Ајнштајн развио своју теорију о општа релативност, која је редефинисала научно разумевање гравитације. У Еинстеиновој новој формулацији, гравитација је изазвана савијањем 4-димензионалног свемирског времена као одговор на присуство огромног објекта, попут планете, звезде или чак галаксије.

Једна од занимљивих импликација ове нове формулације била је та да сам простор у времену није био у равнотежи. У прилично кратком року научници су схватили да је општа релативност предвиђала да ће се простор временски период или проширити или смањити. Верујући да је Ајнштајн веровао да је свемир заправо вечан, увео је космолошка константа у теорију, која је пружала притисак који је спречавао ширење или смањивање. Међутим, када је астроном Едвин Хуббле на крају открио да се свемир у ствари шири, Ајнштајн је схватио да је погрешио и уклонио космолошку константу из теорије.

Ако би се свемир ширио, природни закључак је да, ако бисте премотали свемир, видели бисте да је морао започети малом, густом грудом материје. Ова теорија о томе како је свемир почео да се назива теорија великог праска. Ово је била контроверзна теорија током средњих деценија двадесетог века, јер је виђала за доминацијом над Фредом Хоилеом теорија стабилног стања. Откриће космичког микроталасног позадинског зрачења 1965. године, међутим, потврдило је предвиђање које је постављено у вези са великим праском, па је постало широко прихваћено међу физичарима.

Иако је доказано да није у праву у теорији стабилног стања, Хоиле је заслужан за највећа достигнућа у теорији звјездана нуклеосинтеза, што је теорија да се водоник и други атоми светлости претварају у теже атоме унутар нуклеарних распела званих звезде и пљују у свемир након смрти звезде. Ти тежи атоми затим прелазе у воду, планете и, на крају, живот на Земљи, укључујући људе! Према томе, према речима многих страховитих космолога, сви смо створени од звезданог праха.

У сваком случају, вратимо се еволуцији универзума. Како су научници добијали више информација о свемиру и пажљивије одмеравали космичко микроталасно позадинско зрачење, настао је проблем. Како су извршена детаљна мерења астрономских података, постало је јасно да су појмови из квантног физика је требала да игра јачу улогу у разумевању раних фаза и еволуције универзум. Ово поље теоријске космологије, иако још увек веома спекулативно, постало је прилично плодно и понекад се назива квантна космологија.

Квантна физика показала је свемир који је био прилично близу да буде уједначен у енергији и материји, али није био потпуно уједначен. Међутим, било каква колебања у раном свемиру знатно би се проширила током милијарди година колико се свемир ширио... и флуктуације су биле много мање него што би се могло очекивати. Тако су космолози морали да пронађу начин да објасне неуједначени рани свемир, али онај који је имао само изузетно мала колебања.

Уђите у Алана Гутха, физичара честица који се 1980. године бавио овим проблемом развојем теорија инфлације. Флуктуације у раном универзуму биле су мале квантне флуктуације, али су се у раном универзуму брзо прошириле због ултра брзог периода ширења. Астрономска посматрања од 1980. године подржавају предвиђања теорије инфлације и то је сада већина консензуса међу већином космолога.

Иако је космологија много напредовала током прошлог века, још увек постоји неколико отворених мистерија. У ствари, две главне мистерије савремене физике су доминантни проблеми космологије и астрофизике:

• Тамна материја - Неке се галаксије крећу на начин који није могуће објаснити у потпуности на основу количине материје посматрано у њима (названо „видљива материја“), али што се може објаснити ако у вансерију постоји нека додатна невиђена материја галаксија. Ова додатна материја, за коју се предвиђа да ће заузети око 25% свемира, на основу најновијих мерења, назива се тамна материја. Поред астрономских посматрања, експерименти на Земљи као што су Криогена претрага тамне материје (ЦДМС) покушавају директно посматрати тамну материју.
• Тамна енергија - 1998. астрономи су покушали да открију брзину којом се универзум успоравао... али открили су да се то не успорава. У ствари, убрзање је убрзавало. Чини се да је Еинстеинова космолошка константа ипак била потребна, али уместо да универзум држи као стање равнотеже чини се да гура галаксије све више и брже како време одмиче на. Не зна се тачно шта изазива ову „одбојну гравитацију“, али назив који су физичари дали тој супстанци је "тамна енергија". Астрономска запажања предвиђају да ова тамна енергија чини око 70% свемира супстанца.

Постоје још неки предлози за објашњење ових необичних резултата, као што је Модификована невтонска динамика (МОНД) и променљива брзина о светлосној космологији, али ове алтернативе се сматрају теоријским границама које нису прихваћене међу многим физичарима поље.

Вриједи напоменути да теорија великог праска заправо описује начин на који се од тада развијао универзум убрзо након његовог стварања, али не може дати никакве директне информације о стварном пореклу универзум.

То не значи да нам физика ништа не може рећи о пореклу универзума. Када физичари истражују најмању скалу простора, откривају да квантна физика резултира стварањем виртуелних честица, о чему сведочи Цасимир ефекат. У ствари, теорија инфлације предвиђа да би се, без икакве материје или енергије, просторно време проширило. Стога узета по номиналној вредности, ово научницима даје разумно објашњење како би универзум могао да настане. Да је постојало истинско "ништа", без обзира на енергију, без простора, тада то ништа не би било нестабилно и почело би да ствара материју, енергију и свемирски простор који се шири. Ово је централна теза књига попут Гранд дизајн и Универзум из ничега, који тврде да се универзум може објаснити без позивања на натприродно божанство ствараоца.

Било би тешко претерано нагласити космолошку, филозофску и можда чак теолошку важност признавања да Земља није центар космоса. У том смислу, космологија је једно од најранијих поља која дају доказе који су били у сукобу са традиционалним религијским свјетоназором. У ствари, чини се да је сваки напредак у космологији летео суочен с најдрагоценијим претпоставкама које бисмо желели да учинимо о томе колико је посебно човечанство као врста... бар у смислу космолошке историје. Овај одломак из Гранд дизајн од стране Стивен Хокинг и Леонард Млодинов елоквентно приказује трансформацију у мишљењу која је проистекла из космологије:

Хелиоцентрични модел Сунчевог система Николе Коперника признат је као прва убедљива научна демонстрација да ми људи нисмо жариште космоса... Сада схватамо да је Коперников резултат само једна у низу угнијежђених демоција које су срушиле дугорочне претпоставке о посебан статус човечанства: нисмо у центру Сунчевог система, нисмо у центру галаксије, ми смо који се не налазе у средишту свемира, нисмо ни направљени од тамних састојака који чине огромну већину маса универзума. Таква космичка деградација... приказује примјер онога што научници сада називају Коперников принцип: у великој шеми ствари, све што знамо упућује на људска бића која не заузимају привилеговани положај.