VISATA

Send

Kas yra Visata? Tai yra vienas nepaprastai pakrautas klausimas! Nesvarbu, kokiu kampu buvo atsakyta į šį klausimą, atsakymui į tą klausimą buvo galima praleisti metų metus ir vis tiek vos nesubraižyti paviršiaus. Laiko ir erdvės atžvilgiu jis yra nepaprastai didelis (ir galbūt net begalinis) ir pagal žmogaus standartus neįtikėtinai senas. Todėl išsamiai aprašyti tai yra monumentali užduotis. Bet mes čia, „Space Magazine“, esame pasiryžę išbandyti!

Taigi, kas yra Visata? Na, trumpas atsakymas yra, kad tai yra visos egzistencijos suma. Laiko, erdvės, materijos ir energijos visuma, kuri pradėjo plėstis prieš maždaug 13,8 milijardo metų ir nuo to laiko plečiasi. Niekas nėra visiškai tikras, kokia iš tikrųjų yra Visata, ir niekas nėra tikras, kuo viskas pasibaigs. Tačiau nuolatiniai tyrimai ir studijos žmonijos istorijos metu išmokė daug.

Apibrėžimas:

Terminas „Visata“ kildinamas iš lotyniško žodžio „universum“, kurį Romos valstybininkas Ciceronas ir vėlesni Romos autoriai vartojo, norėdami nurodyti pasaulį ir kosmosą, nes jie jį žinojo. Tai sudarė Žemė ir visos joje gyvenančios būtybės, taip pat Mėnulis, Saulė, tuomet žinomos planetos (Merkurijus, Venera, Marsas, Jupiteris, Saturnas) ir žvaigždės.

Sąvoka „kosmosas“ dažnai naudojama pakaitomis su Visata. Jis kildinamas iš graikų kalbos žodžio kosmosas, kas pažodžiui reiškia „pasaulis“. Kiti žodžiai, paprastai naudojami apibrėžti egzistencijos visumą, yra „Gamta“ (kilęs iš germanų žodžio natūras) ir anglišką žodį „viskas“, kurį vartoja, galima pamatyti mokslinėje terminologijoje, t. y. „Theory of Everything“ (TOE).

Šiandien šis terminas dažnai naudojamas norint paminėti visus dalykus, kurie egzistuoja žinomoje Visatoje - Saulės sistemą, Paukščių Taką ir visas žinomas galaktikas ir antstatus. Šiuolaikinio mokslo, astronomijos ir astrofizikos kontekste jis taip pat reiškia visą erdvės laiką, visas energijos formas (t. Y. Elektromagnetinę spinduliuotę ir materiją) bei juos rišančius fizinius dėsnius.

Visatos kilmė:

Dabartinis mokslinis sutarimas yra tas, kad Visata išsiplėtė nuo ypač aukštos materijos ir energijos tankio taško maždaug prieš 13,8 milijardo metų. Ši teorija, žinoma kaip Didžiojo sprogimo teorija, nėra vienintelis kosmologinis Visatos ištakų ir jos evoliucijos paaiškinimo modelis - pavyzdžiui, egzistuoja Pastovaus būsenos teorija arba Osciliuojančios Visatos teorija.

Tačiau jis yra plačiausiai priimtas ir populiarus. Taip yra dėl to, kad vien tik Didžiojo sprogimo teorija gali paaiškinti visų žinomų materijos kilmę, fizikos dėsnius ir didelio masto Visatos struktūrą. Tai taip pat paaiškina Visatos plėtimąsi, kosminio mikrobangų fono egzistavimą ir daugybę kitų reiškinių.

Atsitraukę nuo dabartinės Visatos būklės, mokslininkai teoretikavo, kad ji turėjo kilti viename begalinio tankio ir riboto laiko taške, kuris pradėjo plėstis. Po pradinio išsiplėtimo teorija teigia, kad Visata pakankamai atvėsusi, kad būtų galima susidaryti subatominėms dalelėms, o vėliau ir paprasčiausiems atomams. Didžiuliai šių pirmykščių elementų debesys vėliau susikaupė per gravitaciją, kad sudarytų žvaigždes ir galaktikas.

Visa tai prasidėjo maždaug prieš 13,8 milijardo metų ir todėl laikoma Visatos amžiumi. Išbandę teorinius principus, eksperimentus su dalelių greitintuvais ir didelės energijos būsenomis bei astronominius tyrimus, stebėjusius giluminę Visatą, mokslininkai sukonstravo įvykių, kurie prasidėjo nuo Didžiojo sprogimo ir sukūrė dabartinę kosminės evoliucijos būseną, tvarkaraštį. .

Tačiau ankstyviausi Visatos laikai - trunkantys maždaug 10^-43 iki 10^-11 sekundžių po Didžiojo sprogimo - yra išsamių spekuliacijų objektas. Atsižvelgiant į tai, kad fizikos dėsniai, kaip mes juos žinome, šiuo metu negalėjo egzistuoti, sunku suvokti, kaip galėjo būti valdoma Visata. Be to, eksperimentai, galintys sukurti įvairias energijas, yra dar kūdikystėje.

Vis dėlto vyrauja daugybė teorijų, kas įvyko per šį pradinį momentą, daugelis iš jų yra suderinamos. Remiantis daugeliu šių teorijų, momentas po Didžiojo sprogimo gali būti suskirstytas į šiuos laikotarpius: išskirtinumo, infliacijos ir aušinimo epochas.

Taip pat žinomas kaip Plancko epocha (arba Plancko epocha), Singularity epocha buvo ankstyviausias žinomas Visatos laikotarpis. Tuo metu visa materija buvo sutelkta viename begalinio tankio ir didžiulės šilumos taške. Manoma, kad šiuo laikotarpiu fizikinėje sąveikoje vyravo kvantinis gravitacijos poveikis ir kad jokios kitos fizinės jėgos nebuvo tokios stiprios kaip gravitacija.

Šis Planko laikotarpis trunka nuo 0 taško iki maždaug 10^-43sekundžių, ir taip pavadintas, nes jį galima išmatuoti tik pagal Plancko laiką. Dėl ypatingo karščio ir medžiagos tankio Visatos būsena buvo labai nestabili. Taigi jis pradėjo plėstis ir atvėsti, todėl pasireiškė pagrindinės fizikos jėgos. Maždaug nuo 10^-43 antra ir 10^-36, Visatoje pradėjo keistis pereinamosios temperatūros.

Manoma, kad būtent čia pagrindinės jėgos, valdančios Visatą, pradėjo atsiskirti viena nuo kitos. Pirmasis žingsnis buvo gravitacijos jėga, atsiskirianti nuo matuoklių jėgų, kurios sudaro stipriąsias ir silpnąsias branduolines jėgas ir elektromagnetizmą. Tada nuo 10^-36iki 10^-32sekundžių po Didžiojo sprogimo, Visatos temperatūra buvo pakankamai žema (10²⁸ K) elektromagnetizmas ir silpna branduolinė jėga taip pat sugebėjo atskirti.

Sukūrus pirmąsias pagrindines Visatos jėgas, prasidėjo Infliacijos epocha, trunkanti nuo 10 metų^-32sekundžių per Planko laiką iki nežinomo taško. Dauguma kosmologinių modelių rodo, kad Visata šiuo metu buvo vienodai užpildyta dideliu energijos tankiu ir kad neįtikėtinai aukšta temperatūra ir slėgis paskatino greitą plėtimąsi ir aušinimą.

Tai prasidėjo 10 val^-37 sekundžių, kai fazių perėjimas, kuris sukėlė jėgų atskyrimą, taip pat atvedė į periodą, kai Visata augo eksponentiškai. Taip pat šiuo metu įvyko bariogenezė, kuri reiškia hipotetinį įvykį, kai temperatūra buvo tokia aukšta, kad atsitiktiniai dalelių judesiai vyko reliatyvistiniu greičiu.

Dėl to visų rūšių dalelės ir dalelės buvo nuolat kuriamos ir naikinamos susidūrimų metu. Manoma, kad dabartinėje Visatoje materija vyravo virš antimedžiagos. Sustojus infliacijai, Visatą sudarė kvarko – gliuko plazma, taip pat visos kitos elementariosios dalelės. Nuo šio momento Visata ėmė atvėsti ir materija susiliejo ir susiformavo.

Visatos tankiui ir temperatūrai mažėjant, prasidėjo aušinimo epocha. Tai apibūdino tai, kad dalelių energija mažėjo ir fazių perėjimai tęsėsi tol, kol pagrindinės fizikos jėgos ir elementariosios dalelės pasikeitė į dabartinę formą. Kadangi dalelių energija būtų sumažėjusi iki verčių, kurias galima gauti dalelių fizikos eksperimentais, šiam laikotarpiui ir toliau bus mažiau spekuliacijų.

Pavyzdžiui, mokslininkai mano, kad apie 10^-11 sekundžių po Didžiojo sprogimo dalelių energija smarkiai sumažėjo. Maždaug 10-ies^-6 sekundžių, kvarkai ir gluonai, sujungti į tokius baronus kaip protonai ir neutronai, o nedidelis kvarkų perteklius virš antikvarų lėmė nedidelį baronų perviršį antikarionų atžvilgiu.

Kadangi temperatūra nebuvo pakankamai aukšta, kad būtų sukurtos naujos protonų-antiprotonų poros (arba neutronų-anitneutronų poros), iškart buvo pradėtas masinis sunaikinimas, paliekant tik vieną iš 10¹⁰ pradinių protonų ir neutronų bei nė vienos jų dalelės. Panašus procesas įvyko maždaug per 1 sekundę po Didžiojo sprogimo elektronams ir pozitronams.

Po šių sunaikinimo likę protonai, neutronai ir elektronai nebejudėjo reliatyviškai, o Visatos energijos tankyje vyravo fotonai - ir mažesniu mastu - neutrinai. Po kelių minučių po išsiplėtimo taip pat prasidėjo laikotarpis, žinomas kaip Didžiojo sprogimo nukleosintezė.

Dėl temperatūros nukritimo iki 1 milijardo kelvinų ir energijos tankio sumažėjimo iki maždaug oro ekvivalento, neutronai ir protonai pradėjo derėti, kad sudarytų pirmąjį Visatos deuterį (stabilų vandenilio izotopą) ir helio atomus. Tačiau dauguma Visatos protonų liko nesujungti kaip vandenilio branduoliai.

Maždaug po 379 000 metų elektronai kartu su šiais branduoliais sudarė atomus (vėlgi, daugiausia vandenilį), o radiacija atsiskyrė nuo materijos ir toliau plėtėsi erdvėje, beveik netrukdydama. Dabar žinoma, kad ši radiacija sudaro kosminį mikrobangų foną (CMB), kuris šiandien yra seniausia šviesa Visatoje.

Plečiantis CMB, jis pamažu prarado tankį ir energiją, ir šiuo metu manoma, kad jo temperatūra bus 2,7260 ± 0,0013 K (–270,424 ° C / –454,763 ° F), o energijos tankis - 0,25 eV / cm.³ (arba 4,005 × 10^-14 J / m³; 400–500 fotonų / cm³). CMB galima pamatyti visomis kryptimis maždaug 13,8 milijardo šviesmečių atstumu, tačiau įvertinus realų atstumą, jis yra maždaug 46 milijardų šviesmečių atstumu nuo Visatos centro.

Visatos evoliucija:

Per kelerius sekančius milijardus metų šiek tiek tankesni Visatos materijos regionai (kurie buvo beveik tolygiai pasiskirstę) pradėjo gravitaciškai traukti vienas kitą. Todėl jie tapo dar tankesni, sudarydami dujų debesis, žvaigždes, galaktikas ir kitas astronomines struktūras, kurias mes reguliariai stebime šiandien.

Tai vadinama struktūros epocha, nes būtent per tą laiką pradėjo formuotis šiuolaikinė Visata. Tai sudarė matoma materija, paskirstyta įvairaus dydžio struktūrose (t. Y. Žvaigždėse ir planetose iki galaktikų, galaktikų grupių ir super klasterių), kur medžiaga sutelkta, ir kurias skiria milžiniškos įlankos, kuriose yra nedaug galaktikų.

Šio proceso detalės priklauso nuo materijos kiekio ir tipo Visatoje. Šaltos tamsiosios medžiagos, šiltos tamsiosios medžiagos, karštosios tamsiosios medžiagos ir baryoninės medžiagos yra keturios siūlomos rūšys. Tačiau „Lambda-Cold Dark Matter“ modelis (Lambda-CDM), kuriame tamsiosios medžiagos dalelės judėjo lėtai, palyginti su šviesos greičiu, yra laikomas standartiniu Didžiojo sprogimo kosmologijos modeliu, nes jis geriausiai atitinka turimus duomenis. .

Manoma, kad šiame modelyje šaltos tamsiosios medžiagos sudaro apie 23% Visatos materijos / energijos, o baryoninės medžiagos sudaro apie 4,6%. Lambda nurodo į kosmologinę konstantą - teoriją, kurią iš pradžių pasiūlė Albertas Einsteinas ir kuri bandė parodyti, kad masės energijos balansas Visatoje išlieka statiškas.

Šiuo atveju jis yra susijęs su tamsiąja energija, kuri paspartino Visatos plėtimąsi ir išlaikė didžiąją jo struktūrą vienodą. Tamsiosios energijos egzistavimas grindžiamas daugybe įrodymų linijų, kurios visos rodo, kad ją persmelkia Visata. Remiantis stebėjimais, apskaičiuota, kad 73% Visatos yra sudaryti iš šios energijos.

Ankstyviausiose Visatos fazėse, kai visos baryoninės medžiagos buvo artimesnėje erdvėje kartu, vyravo gravitacija. Tačiau po milijardų metų plėtimosi didėjanti tamsiosios energijos gausa paskatino ją dominuoti galaktikų sąveikoje. Tai sukėlė pagreitį, kuris yra žinomas kaip kosminio pagreičio epocha.

Kai prasidės šis laikotarpis, bus diskutuojama, tačiau manoma, kad jis prasidėjo maždaug po 8,8 milijardo metų po Didžiojo sprogimo (prieš 5 milijardus metų). Kosmologai, norėdami apibūdinti kosminės evoliucijos procesą, vykusį tuo laikotarpiu ir bet kuriuo metu po infliacijos epochos, remiasi tiek kvantine mechanika, tiek Einšteino bendruoju reliatyvumu.

Vykdydami griežtą stebėjimo ir modeliavimo procesą, mokslininkai nustatė, kad šis evoliucijos laikotarpis atitinka Einšteino lauko lygtis, nors tikroji tamsiosios energijos prigimtis išlieka iliuzinė. Be to, nėra gerai palaikomų modelių, kurie galėtų nustatyti, kas vyko Visatoje iki laikotarpio iki 10^-15sekundžių po Didžiojo sprogimo.

Tačiau vykstančiais eksperimentais, naudojant CERN didįjį hadronų susidūrėją (LHC), siekiama atkurti energetines sąlygas, kurios būtų buvusios Didžiojo sprogimo metu. Tai taip pat tikimasi atskleisti fiziką, peržengiančią standartinio modelio sritį.

Bet koks šios srities proveržis greičiausiai paskatins vieningą kvantinės gravitacijos teoriją, kai mokslininkai pagaliau galės suprasti, kaip gravitacija sąveikauja su kitomis trimis pagrindinėmis fizikos jėgomis - elektromagnetizmu, silpna branduoline jėga ir stipria branduoline jėga. Tai, savo ruožtu, taip pat padės mums suprasti, kas iš tikrųjų nutiko per ankstyviausias Visatos epochas.

Visatos struktūra:

Tęsiami tyrimai dėl tikrojo Visatos dydžio, formos ir stambios struktūros. Jei seniausia Visatoje esanti šviesa, kurią galima pastebėti, yra nutolusi nuo 13,8 milijardų šviesmečių (CMB), tai nėra tikrasis Visatos plotas. Turint omenyje, kad Visata išsiplėtė milijardus metų ir greičiu, viršijančiu šviesos greitį, faktinė riba yra daug didesnė už tai, ką galime pamatyti.

Dabartiniai mūsų kosmologiniai modeliai rodo, kad Visatos skersmuo yra maždaug 91 milijardas šviesmečių (28 milijardai parsekų). Kitaip tariant, stebima visata tęsiasi iš mūsų Saulės sistemos į išorę maždaug 46 milijardų šviesmečių atstumu visomis kryptimis. Tačiau atsižvelgiant į tai, kad Visatos kraštas nėra stebimas, dar nėra aišku, ar Visata iš tikrųjų turi kraštą. Visiems, ką mes žinome, tai tęsiasi amžinai!

Stebimoje Visatoje materija pasiskirsto labai struktūruotai. Galaktikose tai susideda iš didelių koncentracijų - t. Y. Planetų, žvaigždžių ir ūkų, susikertančių su dideliais tuščios erdvės plotais (t. Y. Tarpplanetine erdve ir tarpžvaigždine terpe).

Didesnėmis skalėmis viskas yra tas pats, kai galaktikas skiria erdvės tūris, užpildytas dujomis ir dulkėmis. Didžiausiu mastu, kur egzistuoja galaktikų klasteriai ir superklasteriai, turite išmintingą didelio masto struktūrų tinklą, susidedantį iš tankių materijos gijų ir milžiniškų kosminių tuštumų.

Erdvės laikas pagal savo formą gali egzistuoti viena iš trijų galimų konfigūracijų - teigiamai išlenktų, neigiamai išlenktų ir plokščių. Šios galimybės grindžiamos bent keturių erdvės-laiko dimensijų egzistavimu (x-koordinatė, y-koordinatė, z-koordinatė ir laikas) ir priklauso nuo kosminio išsiplėtimo pobūdžio ir nuo to, ar Visata yra, ar ne yra baigtinė arba begalinė.

Teigiamai išlenkta (arba uždara) Visata būtų panaši į keturių matmenų sferą, kuri erdvėje būtų baigtinė ir be jokių matomų kraštų. Neigiamai išlenkta (arba atvira) Visata atrodytų kaip keturių dimensijų „balnas“ ir neturėtų ribų nei erdvėje, nei laike.

Pagal ankstesnį scenarijų Visata turėtų nustoti plėstis dėl energijos pertekliaus. Pastarojoje būtų per mažai energijos, kad ji kada nors nustotų plėstis. Trečiajame ir paskutiniame scenarijuje - plokščioje Visatoje - egzistuotų kritinis energijos kiekis, o jos plėtimasis sustabdytųsi tik po begalinio laiko.

Visatos likimas:

Hipotezuojant, kad Visata turėjo atskaitos tašką, natūraliai kyla klausimų dėl galimo galutinio taško. Jei Visata prasidėjo kaip mažas begalinio tankio taškas, kuris pradėjo plėstis, ar tai reiškia, kad jis tęsis neribotą laiką? O gal vieną dieną pritrūks ekspansinės jėgos ir pradės trauktis į vidų, kol visa materija sugrįš į mažą rutulį?

Atsakymas į šį klausimą buvo pagrindinis kosmologų dėmesys nuo pat tada, kai prasidėjo diskusijos apie tai, kuris Visatos modelis buvo teisingas. Priimdami Didžiojo sprogimo teoriją, tačiau prieš stebėdami tamsiąją energiją dešimtajame dešimtmetyje, kosmologai susitarė dėl dviejų scenarijų, kurie yra labiausiai tikėtini mūsų Visatos padariniai.

Pirmajame, paprastai vadinamame „didžiosios krizės“ scenarijuje, Visata pasieks maksimalų dydį ir tada ims žlugti pati. Tai bus įmanoma tik tuo atveju, jei Visatos masės tankis bus didesnis už kritinį tankį. Kitaip tariant, tol, kol materijos tankis išlieka tam tikroje vertėje (1–3 × 10)^-26 kg medžiagos / m³), Visata ilgainiui susitrauks.

Arba, jei tankis Visatoje būtų lygus ar mažesnis už kritinį tankį, plėtimasis sulėtėtų, bet niekada nesustotų. Pagal šį scenarijų, vadinamą „dideliu užšalimu“, Visata tęsis tol, kol žvaigždžių formavimasis galiausiai nutrūks, sunaudojant visas tarpžvaigždines dujas kiekvienoje galaktikoje. Tuo tarpu visos esamos žvaigždės sudegtų ir taptų baltosiomis nykštukėmis, neutroninėmis žvaigždėmis ir juodosiomis skylėmis.

Labai palaipsniui susidūrus tarp šių juodųjų skylių masė kauptųsi vis didesnėse ir didesnėse juodosiose skylėse. Vidutinė Visatos temperatūra priartėtų prie absoliučios nulio, o juodosios skylės išgaruotų po to, kai skleisdavo paskutinę savo Hawkingo radiaciją. Galiausiai, Visatos entropija padidėtų tiek, kad iš jos nebūtų galima išgauti jokios organizuotos energijos formos (scenarijus, žinomas kaip „šilumos žūtis“).

Šiuolaikiniai stebėjimai, apimantys tamsiosios energijos egzistavimą ir jos įtaką kosminiam išsiplėtimui, leido daryti išvadą, kad vis daugiau dabar matomos Visatos peržengs mūsų įvykių horizontą (ty CMB, tai, ką galime pamatyti). ir tapkite nematomi mums. Galutinis to rezultatas šiuo metu nėra žinomas, tačiau „karščio mirtis“ taip pat laikoma tikėtina pabaigos tašku šiame scenarijuje.

Kiti tamsiosios energijos paaiškinimai, vadinami fantominės energijos teorijomis, leidžia manyti, kad galiausiai galaktikų sankaupos, žvaigždės, planetos, atomai, branduoliai ir pati materija bus suardyta vis didėjančios plėtros. Šis scenarijus yra žinomas kaip „didelis plyšys“, kuriame pačios Visatos plėtimasis ilgainiui bus jos sunaikinimas.

Studijų istorija:

Griežtai tariant, žmonės nuo priešistorės laikų svarstė ir tyrinėjo Visatos prigimtį. Ankstyviausia Visatos atsiradimo istorija buvo mitologinio pobūdžio ir perduodama žodžiu iš kartos į kartą. Šiose istorijose pasaulis, erdvė, laikas ir visas gyvenimas prasidėjo nuo kūrinijos įvykio, kai Dievas ar dievai buvo atsakingi už visko sukūrimą.

Senovės babiloniečių laikais astronomija taip pat ėmė ryškėti kaip studijų sritis. Žvaigždynų ir astrologinių kalendorių sistemos, paruoštos Babilono mokslininkų dar II tūkstantmetyje prieš Kristų, būtų naudojamos tūkstantmečiams kultūrų kosmologinėms ir astrologinėms tradicijoms.

Iki klasikinės senovės ėmė rastis visatos, kurią padiktavo fiziniai įstatymai, samprata. Tarp graikų ir indų mokslininkų kūrybos paaiškinimai ėmė tapti filosofinio pobūdžio, pabrėždami priežastį ir pasekmę, o ne dieviškąją agentūrą. Ankstyviausi pavyzdžiai yra Thalesas ir Anaksimanderis, du ikisokratiški Graikijos tyrinėtojai, kurie tvirtino, kad viskas gimė iš pirmykštės materijos formos.

Iki 5 a. Pr. Kr. Ikisokratiškasis filosofas Empedoklas tapo pirmuoju Vakarų mokslininku, pasiūliusiu Visatą, susidedančią iš keturių elementų - žemės, oro, vandens ir ugnies. Ši filosofija labai išpopuliarėjo vakarų sluoksniuose ir buvo panaši į Kinijos penkių elementų - metalo, medžio, vandens, ugnies ir žemės - sistemą, atsiradusią maždaug tuo pačiu metu.

Tik Demokritas, 5–4 a. Pr. Kr. Graikų filosofas, pasiūlė Visatą, kurią sudaro nedalomos dalelės (atomai). Indijos filosofas Kanada (gyvenęs VI – II a. Pr. Kr.) Tęsė šią filosofiją siūlydamas, kad šviesa ir šiluma yra ta pati medžiaga skirtingomis formomis. 5-ojo amžiaus CE budistų filosofas Dignana pažengė dar toliau, siūlydamas, kad visa materija būtų sudaryta iš energijos.

Riboto laiko samprata taip pat buvo pagrindinis Abraomo religijų - judaizmo, krikščionybės ir islamo - bruožas. Galbūt įkvėptas Zoroastrizmo Teismo dienos koncepcijos, įsitikinimas, kad Visata turi pradžią ir pabaigą, tęsia vakarietiškas kosmologijos sąvokas net iki šių dienų.

Tarp II tūkstantmečio prieš Kristų ir II amžiaus CE astronomija ir astrologija toliau vystėsi ir vystėsi. Graikų astronomai, be tinkamo planetų judesio ir žvaigždynų judėjimo per Zodiaką stebėjimo, sukūrė geocentrinį Visatos modelį, kuriame Saulė, planetos ir žvaigždės sukasi aplink Žemę.

Šias tradicijas geriausiai apibūdina II amžiaus CE matematinis ir astronominis traktatas,Almagestas, kurį parašė graikų-egiptiečių astronomas Claudijus Ptolemaeus (dar žinomas kaip Ptolemėjas). Šį traktatą ir jo palaikytą kosmologinį modelį viduramžių Europos ir islamo tyrinėtojai laikys kanonu daugiau nei tūkstantį metų.

Tačiau dar prieš mokslinę revoliuciją (maždaug XVI – XVIII a.) Buvo astronomų, kurie pasiūlė helicentrinį Visatos modelį - ten, kur Žemė, planetos ir žvaigždės sukasi aplink Saulę. Tarp jų buvo graikų astronomas Aristarchas iš Samos (maždaug 310–230 m. Pr. Kr.) Ir helenistinis astronomas ir filosofas Seleucijus Seleucusas (190–150 m. Pr. Kr.).

Viduramžių laikais indų, persų ir arabų filosofai ir mokslininkai palaikė ir plėtė klasikinę astronomiją. Jie ne tik palaikė Ptolemaic ir ne Aristotelio idėjas, bet ir pasiūlė tokias revoliucines idėjas kaip Žemės sukimasis. Kai kurie mokslininkai, tokie kaip indų astronomas Aryabhata ir persų astronomai Albumasar ir Al-Sijzi, netgi pažengusias helicentrinės visatos versijas.

Iki XVI amžiaus Nicolausas Kopernikas pasiūlė išsamiausią heliocentrinės Visatos koncepciją, išspręsdamas matematines teorijos problemas. Jo idėjos pirmiausia buvo išreikštos 40 puslapių rankraščiu pavadinimu Komentaras („Mažasis komentaras“), kuriame buvo aprašytas septyniais bendraisiais principais paremtas heliocentrinis modelis. Šie septyni principai pareiškė:

Dangaus kūnai ne visi sukasi aplink vieną tašką
Žemės centras yra mėnulio sferos centras - mėnulio orbita aplink Žemę; visos sferos sukasi aplink Saulę, kuri yra netoli Visatos centro
Atstumas tarp Žemės ir Saulės yra nereikšminga atstumo nuo Žemės ir Saulės iki žvaigždžių dalis, todėl žvaigždėse paralakso nepastebima.
Žvaigždės yra nejudinamos - jų kasdienį judėjimą sukelia kasdienis Žemės sukimasis
Žemė juda sferoje aplink Saulę, sukeldama akivaizdžią Saulės migraciją kasmet
Žemė turi daugiau nei vieną judesį
Žemės orbitalinis judėjimas aplink Saulę sukelia tariamą planetų judesio kryptį priešinga kryptimi.

Išsamesnis požiūris į jo idėjas buvo išleistas 1532 m., Kai Kopernikas baigė savo didįjį opusą - Devolutionibus orbium coelestium (Apie dangiškųjų sferų apsisukimus). Jame jis pateikė savo septynis pagrindinius argumentus, tačiau išsamesne forma ir pateikdamas išsamius skaičiavimus, kad galėtų juos pagrįsti. Dėl persekiojimo baimės ir atgarsio šis tomas nebuvo paleistas iki mirties 1542 m.

Jo idėjas dar labiau patobulins XVI – XVII amžiaus matematikai, astronomas ir išradėjas Galileo Galilei. Galileo naudodamas savo sukurto teleskopo duomenis užfiksuos Mėnulio, Saulės ir Jupiterio stebėjimus, kurie parodė geocentrinio Visatos modelio trūkumus, taip pat pademonstruodami vidinį Koperniko modelio nuoseklumą.

Jo pastebėjimai XVII amžiaus pradžioje buvo paskelbti keliais skirtingais tomais. Jo pastebėjimai apie krateruotą Mėnulio paviršių ir Jupiterio bei didžiausių jo mėnulių stebėjimai buvo išsamiai aprašyti 1610 m. Sidereus Nuncius (Žvaigždinis pasiuntinys), o jo stebėjimai buvo saulės taškai buvo aprašyti Dėmėse, stebėtose saulėje (1610).

Galileo taip pat užfiksavo savo pastebėjimus apie Paukščių kelią Žvaigždinis pasiuntinys, kuris anksčiau buvo manomas kaip miglotas. Vietoj to, „Galileo“ nustatė, kad tai daugybė žvaigždžių, supakuotų taip tankiai, kad iš tolo atrodė kaip debesys, bet iš tikrųjų buvo žvaigždės, esančios daug toliau, nei manyta anksčiau.

1632 m. Galileo savo traktate galutinai atkreipė dėmesį į „Didžiąją diskusiją“Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo (Dialogas dėl dviejų pagrindinių pasaulio sistemų), kuriame jis pasisakė už heliocentrinį modelį virš geocentrinio. Remdamasis savo paties teleskopiniais stebėjimais, šiuolaikine fizika ir griežta logika, Galileo argumentai iš tikrųjų sumenkino Aristotelio ir Ptolemėjų sistemos pagrindus augančiai ir imliajai auditorijai.

Johanesas Kepleris toliau tobulino modelį savo teorija apie planetų elipsiškas orbitas. Kartu su tiksliomis lentelėmis, numatančiomis planetų padėtis, Koperniko modelis buvo veiksmingai įrodytas. Nuo septyniolikto amžiaus vidurio buvo mažai astronomų, kurie nebuvo kopernikai.

Kitas didelis indėlis buvo seras Isaacas Newtonas (1642/43 - 1727), kuris, dirbdamas su Keplerio Planetinio Judėjimo įstatymais, paskatino jį išplėtoti Visuotinės gravitacijos teoriją. 1687 m. Jis paskelbė savo garsųjį traktatą „Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica“ („Matematiniai gamtos filosofijos principai“), kuriame išsamiai aprašyti jo trys judesio dėsniai. Šie įstatymai nustatė, kad:

Žiūrint iš inercinio atskaitos rėmo, objektas arba lieka ramybėje, arba toliau juda pastoviu greičiu, nebent jis veikiamas išorinės jėgos.
Objekto išorinių jėgų (F) vektorinė suma yra lygi masei (m) to objekto, padauginto iš objekto pagreičio vektoriaus (a). Matematiškai tai išreiškiama taip: F =ma
Kai vienas kūnas daro jėgą antram kūnui, antrasis kūnas tuo pačiu metu sukelia jėgos, lygios dydžiui ir priešingas pirmajam kūnui.

Šie įstatymai kartu apibūdino bet kokio objekto, jį veikiančių jėgų ir atsirandančio judesio santykį, taip padėdami pagrindą klasikinei mechanikai. Įstatymai taip pat leido Niutonui apskaičiuoti kiekvienos planetos masę, apskaičiuoti Žemės išlyginimą ties poliais ir įdubimą ties pusiauju bei tai, kaip Saulės ir Mėnulio gravitacinis traukimas sukuria Žemės potvynius.

Jo apskaičiuotas geometrinės analizės metodas taip pat sugebėjo atsižvelgti į garso greitį ore (pagal Boyle'io dėsnį), lygiadienių pirmtaką - kurį jis parodė kaip Mėnulio gravitacinį potraukį Žemei - ir nustatyti kometų orbitos. Ši apimtis padarys didelį poveikį mokslams, nes jos principai išliks kanonu ateinančius 200 metų.

Kitas svarbus atradimas įvyko 1755 m., Kai Immanuelis Kantas pasiūlė, kad Pieno kelias yra didelė žvaigždžių kolekcija, laikoma kartu abipusio sunkio jėgos. Kaip ir Saulės sistema, ši žvaigždžių kolekcija būtų besisukanti ir išlyginta kaip diskas, į kurią būtų įdėta Saulės sistema.

Astronomas Williamas Herschelis 1785 m. Bandė iš tikrųjų apibrėžti Paukščių Tako formą, tačiau jis nesuvokė, kad dideles galaktikos dalis užstoja dujos ir dulkės, kurios slepia tikrąją jos formą. Kitas didelis šuolis tyrinėjant Visatą ir ją valdančius įstatymus įvyko tik XX amžiuje, sukūrus Einšteino specialiojo ir bendrojo reliatyvumo teorijas.

Einšteino novatoriškos teorijos apie erdvę ir laiką (apibendrintos tiesiog kaip: E = mc²) iš dalies buvo jo bandymų išspręsti Niutono mechanikos dėsnius elektromagnetizmo dėsniais (apibūdinamų Maksvelo lygtimis ir Lorentzo jėgos įstatymu) rezultatas. Galiausiai Einšteinas išspręs šių dviejų sričių nesuderinamumą, pasiūlęs specialųjį reliatyvumą savo 1905 m.Apie judančių kūnų elektrodinamiką“.

Iš esmės ši teorija teigė, kad šviesos greitis yra vienodas visuose inerciniuose atskaitos kadruose. Tai nutrūko iki tol buvusio sutarimo, kad pro judančią terpę sklindanti šviesa bus tempiama kartu su ta terpe, o tai reiškė, kad šviesos greitis yra jos greičio suma per vidutinis plius greitis apie ta terpė. Ši teorija sukėlė daugybę klausimų, kurie pasirodė neįveikiami iki Einšteino teorijos.

Specialusis reliatyvumas ne tik suderino Maksvelo elektrinės ir magnetiškos lygtis su mechanikos dėsniais, bet ir supaprastino matematinius skaičiavimus, pašalindamas pašalinius kitų mokslininkų paaiškinimus. Tai taip pat padarė perteklinę terpę, atitinkančią tiesiogiai stebimą šviesos greitį, ir atspindėjo pastebėtas aberacijas.

Nuo 1907 iki 1911 metų Einšteinas pradėjo svarstyti, kaip specialusis reliatyvumas galėtų būti pritaikytas sunkio jėgos laukams - kas būtų vadinama Bendrojo reliatyvumo teorija. Tai baigėsi 1911 m. Publikacijomis „Apie gravitacijos įtaką šviesos sklidimui“, Kuriame jis numatė, kad laikas yra palyginti su stebėtoju ir priklauso nuo jų padėties gravitacijos lauke.

Jis taip pat išplėtė vadinamąjį lygiavertiškumo principą, kuris teigia, kad gravitacinė masė yra identiška inercinei masei. Einšteinas taip pat numatė gravitacinio laiko išsiplėtimo reiškinį - kai du stebėtojai, esantys skirtingais atstumais nuo gravitacinės masės, suvokia laiko skirtumą tarp dviejų įvykių. Kitas didelis jo teorijų pliūpsnis buvo Juodųjų skylių ir besiplečiančios Visatos egzistavimas.

1915 m., Praėjus keliems mėnesiams po to, kai Einšteinas paskelbė savo bendrojo reliatyvumo teoriją, vokiečių fizikas ir astronomas Karlas Schwarzschildis rado Einšteino lauko lygčių sprendimą, apibūdinantį taško ir sferinės masės gravitacinį lauką. Šis sprendimas, dabar vadinamas Schwarzschildo spinduliu, apibūdina tašką, kuriame rutulio masė yra taip suspausta, kad pabėgimo greitis nuo paviršiaus būtų lygus šviesos greičiui.

1931 m. Indų-amerikiečių astrofizikas Subrahmanyanas Chandrasekharas, naudodamas specialųjį reliatyvumą, apskaičiavo, kad nesisukantis elektronų išskaidytos medžiagos kūnas, viršijantis tam tikrą ribojančią masę, pats savaime sugrius. 1939 m. Robertas Oppenheimeris ir kiti sutiko su Chandrasekharo analize tvirtindami, kad neutronų žvaigždės, viršijančios nustatytą ribą, sugrius į juodąsias skyles.

Kita bendrojo reliatyvumo pasekmė buvo prognozė, kad Visata yra išsiplėtimo arba susitraukimo būsenoje. 1929 m. Edvinas Hablas patvirtino, kad taip buvo buvusiame. At the time, this appeared to disprove Einstein’s theory of a Cosmological Constant, which was a force which “held back gravity” to ensure that the distribution of matter in the Universe remained uniform over time.

To this, Edwin Hubble demonstrated using redshift measurements that galaxies were moving away from the Milky Way. What’s more, he showed that the galaxies that were farther from Earth appeared to be receding faster – a phenomena that would come to be known as Hubble’s Law. Hubble attempted to constrain the value of the expansion factor – which he estimated at 500 km/sec per Megaparsec of space (which has since been revised).

And then in 1931, Georges Lemaitre, a Belgian physicist and Roman Catholic priest, articulated an idea that would give rise to the Big Bang Theory. After confirming independently that the Universe was in a state of expansion, he suggested that the current expansion of the Universe meant that the father back in time one went, the smaller the Universe would be.

In other words, at some point in the past, the entire mass of the Universe would have been concentrated on a single point. These discoveries triggered a debate between physicists throughout the 1920s and 30s, with the majority advocating that the Universe was in a steady state (i.e. the Steady State Theory). In this model, new matter is continuously created as the Universe expands, thus preserving the uniformity and density of matter over time.

After World War II, the debate came to a head between proponents of the Steady State Model and proponents of the Big Bang Theory – which was growing in popularity. Eventually, the observational evidence began to favor the Big Bang over the Steady State, which included the discovery and confirmation of the CMB in 1965. Since that time, astronomers and cosmologists have sought to resolve theoretical problems arising from this model.

In the 1960s, for example, Dark Matter (originally proposed in 1932 by Jan Oort) was proposed as an explanation for the apparent “missing mass” of the Universe. In addition, papers submitted by Stephen Hawking and other physicists showed that singularities were an inevitable initial condition of general relativity and a Big Bang model of cosmology.

In 1981, physicist Alan Guth theorized a period of rapid cosmic expansion (aka. the “Inflation” Epoch) that resolved other theoretical problems. The 1990s also saw the rise of Dark Energy as an attempt to resolve outstanding issues in cosmology. In addition to providing an explanation as to the Universe’s missing mass (along with Dark Matter) it also provided an explanation as to why the Universe is still accelerating, and offered a resolution to Einstein’s Cosmological Constant.

Significant progress has been made in our study of the Universe thanks to advances in telescopes, satellites, and computer simulations. These have allowed astronomers and cosmologists to see farther into the Universe (and hence, farther back in time). This has in turn helped them to gain a better understanding of its true age, and make more precise calculations of its matter-energy density.

The introduction of space telescopes – such as the Cosmic Background Explorer (COBE), the Hubble Space Telescope, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) and the Planck Observatory – has also been of immeasurable value. These have not only allowed for deeper views of the cosmos, but allowed astronomers to test theoretical models to observations.

For example, in June of 2016, NASA announced findings that indicate that the Universe is expanding even faster than previously thought. Based on new data provided by the Hubble Space Telescope (which was then compared to data from the WMAP and the Planck Observatory) it appeared that the Hubble Constant was 5% to 9% greater than expected.

Next-generation telescopes like the James Webb Space Telescope (JWST) and ground-based telescopes like the Extremely Large Telescope (ELT) are also expected to allow for additional breakthroughs in our understanding of the Universe in the coming years and decades.

Without a doubt, the Universe is beyond the reckoning of our minds. Our best estimates say hat it is unfathomably vast, but for all we know, it could very well extend to infinity. What’s more, its age in almost impossible to contemplate in strictly human terms. In the end, our understanding of it is nothing less than the result of thousands of years of constant and progressive study.

And in spite of that, we’ve only really begun to scratch the surface of the grand enigma that it is the Universe. Perhaps some day we will be able to see to the edge of it (assuming it has one) and be able to resolve the most fundamental questions about how all things in the Universe interact. Until that time, all we can do is measure what we don’t know by what we do, and keep exploring!

To speed you on your way, here is a list of topics we hope you will enjoy and that will answer your questions. Good luck with your exploration!