Przez tysiące lat ludzie obserwowali gwiazdy i zastanawiali się, jak powstał wszechświat. Ale dopiero w latach I wojny światowej naukowcy opracowali pierwsze instrumenty obserwacyjne i narzędzia teoretyczne, aby przekształcić te wielkie pytania w precyzyjny obszar badań: kosmologię.
„Uważam kosmologię za jeden z najstarszych przedmiotów zainteresowania ludzi, ale za jedną z najnowszych nauk” - powiedział Paul Steinhardt, kosmolog z Princeton University, który bada, czy czas ma początek.
Kosmologia, w skrócie, bada kosmos jako jedną całość, zamiast oddzielnie analizować gwiazdy, czarne dziury i galaktyki, które je wypełniają. To pole stawia duże pytania: skąd wziął się wszechświat? Dlaczego ma gwiazdy, galaktyki i gromady galaktyk? Co będzie dalej? „Kosmologia próbuje stworzyć bardzo duży obraz natury wszechświata” - powiedział Glennys Farrar, fizyk cząstek na New York University.
Ponieważ dyscyplina ta zmaga się z wieloma zjawiskami, od cząstek w próżni po tkankę przestrzeni i czasu, kosmologia silnie wykorzystuje wiele dziedzin, w tym astronomię, astrofizykę i, w coraz większym stopniu, fizykę cząstek.
„Kosmologia składa się z części w pełni związanych z fizyką, części całkowicie z astrofizyki oraz części, które poruszają się tam iz powrotem” - powiedział Steinhardt. „To część emocji”.
Historia historii wszechświata
Interdyscyplinarny charakter pola pomaga wyjaśnić jego stosunkowo późny start. Nasz współczesny obraz wszechświata zaczął się łączyć dopiero w latach dwudziestych, wkrótce po tym, jak Albert Einstein rozwinął teorię ogólnej teorii względności, matematyczną ramę opisującą grawitację jako konsekwencję zgięcia przestrzeni i czasu.
„Zanim zrozumiesz naturę grawitacji, nie możesz naprawdę stworzyć teorii, dlaczego rzeczy są takie, jakie są” - powiedział Steinhardt. Inne siły mają większy wpływ na cząstki, ale grawitacja jest głównym graczem na arenie planet, gwiazd i galaktyk. Opis grawitacji Izaaka Newtona często działa również w tym królestwie, ale traktuje przestrzeń (i czas) jako sztywne i niezmienne tło do pomiaru zdarzeń. Praca Einsteina pokazała, że sama przestrzeń może się rozszerzać i kurczyć, zmieniając wszechświat ze sceny na aktora i wprowadzając go do walki jako dynamiczny przedmiot do badań.
W połowie lat dwudziestych astronom Edwin Hubble dokonał obserwacji z niedawno zbudowanego 100-calowego (254 centymetrów) teleskopu Hooker w Obserwatorium Mount Wilson w Kalifornii. Próbował rozstrzygnąć debatę na temat położenia niektórych chmur w kosmosie, które astronomowie mogli zobaczyć. Hubble udowodnił, że te „mgławice” nie były małymi, lokalnymi chmurami, ale zamiast tego były rozległymi, odległymi gromadami gwiazd podobnymi do naszej Drogi Mlecznej - „wszechświatów wyspowych” w języku czasu. Dziś nazywamy je galaktykami i wiemy, że liczą się w bilionach.
Największe wstrząsy w kosmicznej perspektywie dopiero miały nadejść. Prace Hubble'a pod koniec lat dwudziestych XX wieku sugerują, że galaktyki w każdym kierunku oddalają się od nas, zapoczątkowując dekady dalszej debaty. Ostateczne pomiary kosmicznego tła mikrofalowego (CMB) - światła pozostawionego z wczesnych lat wszechświata i rozciągniętego do mikrofal - w latach 60. XX wieku udowodniło, że rzeczywistość pasowała do jednej z możliwości sugerowanych przez ogólną teorię względności: Zaczynając od małego i gorącego, wszechświat ma odtąd robi się coraz większy i zimniejszy. Ta koncepcja stała się znana jako teoria Wielkiego Wybuchu i zatruła kosmologów, ponieważ sugerowała, że nawet wszechświat może mieć początek i koniec.
Ale przynajmniej ci astronomowie mogli zobaczyć ruch galaktyk w swoich teleskopach. Farrar powiedział, że jedną z najbardziej sejsmicznych zmian w kosmologii jest przekonanie, że ogromna większość tamtych rzeczy składa się z czegoś innego, czegoś zupełnie niewidzialnego. Materiał, który widzimy, to niewiele więcej niż kosmiczny błąd zaokrąglenia - tylko około 5% wszystkiego we wszechświecie.
Pierwszy mieszkaniec pozostałych 95% wszechświata, który nazywa się „ciemnym sektorem”, podniósł głowę w latach siedemdziesiątych. W tamtym czasie astronom Vera Rubin zdała sobie sprawę, że galaktyki wirują tak szybko, że powinny się obrócić. Farrar powiedział, że bardziej niż trudna do zobaczenia materia utrzymująca galaktyki razem musiała być czymś zupełnie nieznanym fizykom, czymś - oprócz przyciągania grawitacyjnego - całkowicie ignoruje zwykłą materię i światło. Późniejsze mapowanie ujawniło, że galaktyki, które widzimy, są po prostu jądrami w centrum kolosalnych sfer „ciemnej materii”. Włókna widocznej materii rozciągające się we wszechświecie zawieszone są na ciemnej ramie, która przewyższa widoczne cząstki pięć do jednego.
Następnie Kosmiczny Teleskop Hubble'a odkrył oznaki nieoczekiwanej różnorodności energii - które według kosmologów stanowią pozostałe 70% wszechświata po uwzględnieniu ciemnej materii (25%) i materii widzialnej (5%) - w latach 90. XX wieku, kiedy to taktował ekspansję wszechświata, przyspieszając jak uciekający pociąg. „Ciemna energia”, być może rodzaj energii nieodłącznie związanej z samą przestrzenią, rozpycha wszechświat szybciej niż grawitacja może zbliżyć kosmos do siebie. Za tryliony lat każdy astronom pozostawiony w Drodze Mlecznej znajdzie się w prawdziwym wszechświecie wyspowym, otoczonym ciemnością.
„Jesteśmy w punkcie przejściowym w historii wszechświata, od miejsca zdominowanego przez materię do miejsca, w którym zdominowana jest przez nową formę energii” - powiedział Steinhardt. „Ciemna materia determinowała naszą przeszłość. Ciemna energia determinuje naszą przyszłość.”
Kosmologia współczesna i przyszłości
Obecna kosmologia łączy te przełomowe odkrycia w ich zwieńczeniu, modelu Lambda-CDM. Ten zestaw równań, czasem nazywany standardowym modelem kosmologii, opisuje wszechświat od pierwszej sekundy. Model zakłada pewną ilość ciemnej energii (lambda, dla jej reprezentacji w ogólnej teorii względności) i zimnej ciemnej materii (CDM) i zgłasza podobne domysły na temat ilości widzialnej materii, kształtu wszechświata i innych cech, wszystkie określone przez eksperymenty i obserwacje.
Zagraj w ten film o dziecięcym wszechświecie naprzód o 13,8 miliarda lat, a kosmolodzy otrzymają migawkę, która „statystycznie ma wszystko, co możemy zmierzyć do pewnego momentu”, powiedział Steinhardt. Ten model reprezentuje cel do pokonania, gdy kosmolodzy pchają swoje opisy wszechświata głębiej w przeszłość i przyszłość.
Tak skuteczny jak Lambda-CDM, wciąż ma wiele załamań, które wymagają wypracowania. Kosmolodzy uzyskują sprzeczne wyniki, gdy próbują zbadać bieżącą ekspansję wszechświata, w zależności od tego, czy mierzą ją bezpośrednio w pobliskich galaktykach, czy też wnioskują na podstawie CMB. Ten model nie mówi też nic o składzie ciemnej materii lub energii.
Potem jest ta kłopotliwa pierwsza sekunda istnienia, kiedy wszechświat prawdopodobnie przeszedł od nieskończenie drobnej plamki do relatywistycznie dobrze zachowanej bańki. „Inflacja” jest popularną teorią, która próbuje poradzić sobie z tym okresem, wyjaśniając, jak krótki moment jeszcze szybszej ekspansji wysadził niewielkie pierwotne wariacje na dużą nierównomierność dzisiejszych galaktyk, a także w jaki sposób wejścia Lambda-CDM uzyskały swoje wartości .
Nikt jednak nie wie, jak szczegółowo działała inflacja ani dlaczego zatrzymała się tam, gdzie przypuszczalnie. Steinhardt powiedział, że inflacja powinna była utrzymywać się w wielu regionach przestrzeni kosmicznej, co sugeruje, że nasz wszechświat jest tylko jednym kawałkiem „wieloświata” zawierającego każdą możliwą rzeczywistość fizyczną - nie do przetestowania idea, którą wielu eksperymentatorów uważa za niepokojącą.
Aby poczynić postępy w takich kwestiach, kosmolodzy szukają precyzyjnych pomiarów z teleskopów kosmicznych, takich jak Kosmiczny Teleskop Hubble'a i nadchodzący Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, a także eksperymentów w nowej dziedzinie astronomii fal grawitacyjnych, takich jak National Science Foundation Laserowy interferometr Obserwatorium fal grawitacyjnych. Kosmolodzy dołączają również do fizyków cząstek i astrofizyków w interdyscyplinarnym wyścigu w celu wykrycia cząstek ciemnej materii.
Tak jak kosmologia nie mogła się rozpocząć, dopóki inne gałęzie fizyki nie dojrzeją, nie będzie ona w stanie zakończyć ujawniania historii wszechświata, dopóki inne obszary nie będą bardziej kompletne. prawa fizyki we wszystkich skalach energii i we wszystkich warunkach - powiedział Steinhardt. „A zmiana jednego z nich może radykalnie zmienić historię kosmologiczną”.
Farrar powiedziała, że nie wie, czy tak się stanie, ale zdumiewa, że ludzie tak bardzo rozumieli złożoność wszechświata. „To niesamowite, że ludzki mózg ewoluował do tego stopnia, że na te pytania najwyraźniej można odpowiedzieć” - powiedziała. „Niektóre z nich przynajmniej”.
Dodatkowy zasoby:
