Tūkstančius metų žmonės stebėjo žvaigždes ir stebėjosi, kaip atsirado visata. Tačiau tik Pirmojo pasaulinio karo metais tyrėjai sukūrė pirmuosius stebėjimo instrumentus ir teorinius įrankius, kurie tuos didelius klausimus pavertė tikslia studijų sritimi: kosmologija.
„Aš manau, kad kosmologija yra vienas iš seniausių žmonijai svarbių dalykų, bet kaip vienas iš naujausių mokslų“, - sakė Paulius Steinhardtas, Princetono universiteto kosmologas, tiriantis, ar laikas turi pradžią.
Trumpai tariant, kosmologija tiria kosmosą kaip vieną visumą, o ne atskirai analizuoja žvaigždes, juodąsias skyles ir galaktikas, kurios ją užpildo. Šis laukas užduoda didelius klausimus: iš kur atsirado visata? Kodėl jame yra žvaigždės, galaktikos ir galaktikų sankaupos? Kas bus toliau? „Kosmologija bando padaryti labai platų visatos prigimties vaizdą“, - teigė Niujorko universiteto dalelių fizikas Glennys Farraras.
Kadangi ši disciplina susiduria su daugybe reiškinių, pradedant vakuume esančiomis dalelėmis ir baigiant erdvės ir laiko audiniu, kosmologija labai atkreipia dėmesį į daugelį sričių, įskaitant astronomiją, astrofiziką ir, vis labiau, dalelių fiziką.
„Kosmologijoje yra visos jos dalys, visiškai fizikoje, dalys, visiškai astrofizikos, ir dalys, kurios eina pirmyn ir atgal“, - sakė Steinhardtas. "Tai jaudulio dalis".
Visatos istorijos istorija
Tarpdisciplininis lauko pobūdis padeda paaiškinti palyginti vėlyvą jo pradžią. Mūsų šiuolaikinis visatos vaizdas pradėjo formuotis tik 1920 m., Netrukus po to, kai Albertas Einšteinas sukūrė bendrojo reliatyvumo teoriją, matematinę sistemą, apibūdinančią gravitaciją kaip erdvės ir laiko lenkimo padarinį.
„Prieš suprasdamas gravitacijos prigimtį, iš tikrųjų negali susidaryti teorijos, kodėl viskas yra taip, kaip yra“, - teigė Steinhardtas. Kitos jėgos daro didesnį poveikį dalelėms, tačiau gravitacija yra pagrindinis planetų, žvaigždžių ir galaktikų arenos žaidėjas. Izaoko Newtono gravitacijos aprašymas dažnai veikia ir šioje srityje, tačiau jis traktuoja erdvę (ir laiką) kaip tvirtą ir nekintantį foną, pagal kurį galima vertinti įvykius. Einšteino darbas parodė, kad pati erdvė gali išsiplėsti ir susitraukti, perkeldama visatą iš scenos į aktorių ir paversdama ją finale kaip dinamišką objektą tyrinėti.
Dešimtojo dešimtmečio viduryje astronomas Edwinas Hablas stebėjo iš neseniai pastatyto 100 colių (254 centimetrų) „Hooker“ teleskopo, esančio Mount Wilson observatorijoje Kalifornijoje. Jis bandė išspręsti diskusiją apie tam tikrų debesų vietą erdvėje, kuriuos galėjo pamatyti astronomai. Hablas įrodė, kad šie „ūkai“ nebuvo maži, vietiniai debesys, o vietoj to buvo didžiuliai, tolimi žvaigždžių spiečiai, panašūs į mūsų pačių Pieno kelią - „salų visatas“, kalbant apie laiką. Šiandien mes juos vadiname galaktikomis ir žinome, kad jų skaičius trilijonuose.
Didžiausi sukrėtimai kosminėje perspektyvoje dar nebuvo laukti. 1920-ųjų pabaigos Hablo darbai leido manyti, kad visomis kryptimis besitęsiančios galaktikos pasitraukia iš mūsų, ir tai sukelia dešimtmečius tolesnes diskusijas. Galutiniai kosminių mikrobangų fono (CMB) matavimai - šviesos, likusios nuo visatos ankstyvųjų metų ir nuo tada įsitvirtinusios mikrobangose - septintajame dešimtmetyje įrodė, kad tikrovė atitiko vieną iš bendrojo reliatyvumo siūlomų galimybių: Pradėjus nuo mažos ir karštos, visata turi nuo to laiko buvo vis didesnis ir šaltesnis. Ši sąvoka tapo žinoma kaip Didžiojo sprogimo teorija, ir ji supykdė kosmologus, nes ji suponavo, kad net Visata gali turėti pradžią ir pabaigą.
Bet bent jau tie astronomai galėjo pamatyti galaktikų judesius savo teleskopuose. Pasak Farraro, vienas iš kosmologijoje labiausiai seisminių pokyčių yra mintis, kad didžioji dauguma ten esančių daiktų yra pagaminta iš kažko kito, kažko visiškai nematomo. Medžiaga, kurią galime pamatyti, yra šiek tiek daugiau nei kosminė apvalinimo klaida - tik apie 5% visatos visumos.
Pirmasis kitų 95% visatos, vadinamosios „tamsiosios srities“, neigėjas aštuntajame dešimtmetyje iškėlė galvą. Tuomet astronomas Vera Rubinas suprato, kad galaktikos sukasi taip greitai, kad turėtų atsiskleisti. Pasak Farraro, daugiau nei sunkiai pastebimas dalykas, galaktikas kartu laikantys daiktai turėjo būti kažkas visiškai nežinomo fizikams, tai, kas, išskyrus gravitacinį trauką, visiškai nepaiso įprastos materijos ir šviesos. Vėliau atlikus žemėlapių sudarymą paaiškėjo, kad galaktikos, kurias mes matome, yra tiesiog branduoliai kolosalių „tamsiosios materijos“ sferų centre. Visoje matomų matomų medžiagų siūleliai kabo ant tamsaus rėmo, kuris nusveria matomas daleles penkias prieš vieną.
Hablo kosminis teleskopas tada atidengė netikėtos energijos įvairovės požymius, kurie, kosmologų teigimu, sudaro likusius 70% visatos, kai tamsioji materija (25%) ir matomoji medžiaga (5%) - dešimtajame dešimtmetyje, kai laikrodis visatos plėtimosi greitėjo kaip bėgantis traukinys. „Tamsi energija“, galbūt tam tikros rūšies energija, būdinga pačiai erdvei, visatą atstumia greičiau, nei gravitacija gali sujungti kosmosą. Per trilijoną metų bet koks Paukščių Take paliktas astronomas atsidurs tikroje salų visatoje, apgaubtoje tamsos.
„Mes esame perėjimo taške Visatos istorijoje, kur dominuoja materija, ten, kur vyrauja nauja energijos forma“, - teigė Steinhardtas. "Tamsi materija nulėmė mūsų praeitį. Tamsi energija nulems mūsų ateitį".
Moderni ir būsima kosmologija
Dabartinė kosmologija paverčia šiuos svarbius atradimus savo vainikuojamu laimėjimu - „Lambda-CDM“ modeliu. Šis lygčių paketas, kartais vadinamas standartiniu kosmologijos modeliu, apibūdina Visatą nuo maždaug pirmosios sekundės. Modelis naudoja tam tikrą tamsiosios energijos kiekį (lambda, jos atvaizdavimui bendrojoje reliatyvumo dalyje) ir šaltą tamsiąją medžiagą (CDM) ir daro panašius spėjimus apie matomos medžiagos kiekį, visatos formą ir kitas savybes, kurias lemia eksperimentai. ir pastebėjimai.
Paleiskite tą kūdikių visatos filmą į priekį 13,8 milijardo metų ir kosmologai gauna momentinį vaizdą, kuris „statistiškai turi viską, ką galime išmatuoti iki tam tikro taško“, - teigė Steinhardtas. Šis modelis atspindi tikslą įveikti, nes kosmologai visatos aprašymus gilina į praeitį ir į ateitį.
Kaip „Lambda-CDM“ buvo sėkmingas, jis vis dar turi daugybę žinduolių, kuriuos reikia išspręsti. Kosmologai gauna prieštaringus rezultatus, bandydami ištirti dabartinę visatos plėtrą, atsižvelgiant į tai, ar jie matuoja ją tiesiogiai šalia esančiose galaktikose, ar daro išvadą iš CMB. Šis modelis taip pat nieko nesako nei apie tamsiosios medžiagos makiažą, nei apie energiją.
Tada yra ta varginanti pirmoji egzistavimo sekundė, kai visata greičiausiai perėjo nuo begalybės smaigalio iki relativistiškai gerai veikiančio burbulo. „Infliacija“ yra populiari teorija, bandanti sutvarkyti šį periodą, paaiškindama, kaip trumpas dar greitesnio išsiplėtimo momentas išpūtė minusus pirmykščius variantus į šiandienos galaktikų didelio masto nelygumus, taip pat kaip „Lambda-CDM“ įvestys įgavo savo vertes .
Tačiau niekas nežino, kaip infliacija veikė išsamiai, arba kodėl ji sustojo ten, kur, kaip manoma. Steinhardtas teigė, kad infliacija turėjo tęstis daugelyje kosmoso regionų, tai reiškia, kad mūsų visata yra tik viena „multivers“ dalis, kurioje yra kiekviena įmanoma fizinė tikrovė - tai neišmatuojama idėja, kurią daugelis eksperimentuotojų laiko nerimą.
Kosmologai, norėdami padaryti pažangą tokiais klausimais, kaip kosmetologai, siekia tikslumo matavimus iš kosminių teleskopų, tokių kaip Hablo kosminis teleskopas ir būsimasis Džeimso Webbo kosminis teleskopas, taip pat eksperimentus kylančioje gravitacinių bangų astronomijos srityje, pavyzdžiui, Nacionalinio mokslo fondo Lazerinis interferometras. Gravitacinių bangų observatorija. Kosmologai taip pat prisijungia prie dalelių fizikų ir astrofizikų tarpdisciplininėse lenktynėse norėdami aptikti tamsiosios medžiagos daleles.
Kaip kosmologija negalėjo prasidėti tol, kol subrendo kitos fizikos šakos, taip ir ji negalės baigti atskleisti visatos istorijos, kol kitos sritys nebus išsamesnės. “Kad pasakojimas būtų aiškus, turite iš esmės išmokti visus dalykus. fizikos dėsniai visomis energijos skalėmis ir bet kokiomis sąlygomis “, - teigė Steinhardtas. "Ir bet kurio iš jų pakeitimas galėtų radikaliai pakeisti kosmologinę istoriją".
Farraras teigė nežinąs, ar taip nutiks, tačiau stebisi, kad žmonės, kiek turi, suvokė visatos sudėtingumą. „Nuostabu, kad žmogaus smegenys išsivystė taip, kad į šiuos klausimus, matyt, galima atsakyti“, - sakė ji. "Kai kurie iš jų bent".
Papildomas ištekliai:
