Kozmolojiyi ve Etkilerini Anlamak

Kozmoloji, fizikte diğer birçok alana dokunan bir çalışma alanı olduğundan, ele almak zor bir disiplin olabilir. (Gerçekte, bu günlerde fizikteki çalışma alanlarının neredeyse tamamı başka birçok alana değiniyor olsa da.) Kozmoloji nedir? Bunu inceleyen insanlar (kozmologlar olarak adlandırılır) gerçekte ne yapar? Çalışmalarını desteklemek için hangi kanıtlar var?

kozmoloji evrenin kökenini ve nihai kaderini inceleyen bilim disiplinidir. En son astronomi ve astrofizik alanlarıyla yakından ilişkilidir, ancak geçen yüzyıl aynı zamanda kozmolojiyi parçacık fiziğinin temel kavrayışlarına da yaklaştırmıştır.

Başka bir deyişle, büyüleyici bir gerçeğe ulaşıyoruz:

Modern kozmoloji anlayışımız, en büyük evrenimizdeki yapılar (gezegenler, yıldızlar, galaksiler ve galaksi kümeleri) en küçük evrenimizdeki yapılar (temel parçacıklar).

Kozmoloji çalışması muhtemelen doğaya yönelik en eski spekülatif sorgulama biçimlerinden biridir ve başladı tarihin bir noktasında eski bir insan cennete baktığında, takip etme:

• Buraya nasıl geldik?
• Gece gökyüzünde neler oluyor?
• Evrende yalnız mıyız?
• Gökyüzündeki bu parlak şeyler neler?

Kaptın bu işi.

Kadim insanlar bunları açıklamak için oldukça iyi girişimlerde bulundular. Batı bilimsel geleneğinde bunlardan birincisi eski Yunanlıların fiziğiPtolemi dönemine kadar yüzyıllar boyunca rafine edilen evrenin kapsamlı bir jeosantrik modelini geliştiren, kozmoloji, yüzyılın çeşitli bileşenlerinin hızları hakkındaki bazı ayrıntılar dışında, gerçekten birkaç yüzyıl boyunca gelişmedi. sistemi.

Bu alandaki bir sonraki büyük gelişme, ölüm yatağında astronomi kitabını yayınladığı 1543'te Nicolaus Copernicus'tan geldi. (Katolik Kilisesi ile tartışmaya neden olacağını tahmin ederek), güneş merkezli güneş modeli için kanıtları özetliyor. sistemi. Düşünmedeki bu dönüşümü motive eden temel içgörü, gerçek olmayan Dünya'nın fiziksel olarak temelde ayrıcalıklı bir konum içerdiğini varsaymak için sebep Evren. Varsayımlardaki bu değişiklik, Kopernik İlkesi. Copernicus'un güneş merkezli modeli Tycho Brahe'nin çalışmalarına dayanarak daha popüler ve kabul gördü, Galileo Galilei, ve Johannes KeplerKopernik güneş merkezli modelini desteklemek için önemli deneysel kanıtlar topladı.

Öyleydi Sör Isaac Newton Ancak, tüm bu keşifleri gezegensel hareketleri gerçekte açıklamaya bir araya getirmeyi başardı. Dünyaya düşen nesnelerin hareketinin Dünya'nın etrafında dönen nesnelerin hareketine benzediğini anlamak için sezgiye ve kavrayışa sahipti (özünde, bu nesneler sürekli olarak düşüyor etrafında Dünya). Bu hareket benzer olduğu için, muhtemelen aynı güçten kaynaklandığını fark etti. Yerçekimi. Dikkatli gözlem ve yeni matematik geliştirerek hesap ve onun üç hareket kanunuNewton, bu hareketi çeşitli durumlarda tanımlayan denklemler yaratmayı başardı.

Newton'un yerçekimi yasası, göklerin hareketini tahmin etmeye çalışsa da, bir sorun vardı... nasıl çalıştığı tam olarak belli değildi. Teori, kütleli nesnelerin uzayda birbirini çektiğini öne sürdü, ancak Newton yer çekiminin bunu başarmak için kullandığı mekanizma için bilimsel bir açıklama geliştiremedi. Açıklanamaz olanı açıklamak için Newton, Tanrı'ya genel bir çekiciliğe dayanıyordu, temelde nesneler, Tanrı'nın evrendeki mükemmel varlığına yanıt olarak bu şekilde davranırlar. Fiziksel bir açıklama elde etmek için, zekası Newton'unkini bile tutabilecek bir deha gelene kadar iki yüzyıl boyunca beklenirdi.

Newton'un kozmolojisi bilime yirminci yüzyılın başlarına kadar egemen oldu Albert Einstein teorisini geliştirdi Genel görelilikyerçekimi ile ilgili bilimsel anlayışı yeniden tanımladı. Einstein'ın yeni formülasyonunda yerçekimine, bir gezegen, bir yıldız veya hatta bir galaksi gibi büyük bir nesnenin varlığına yanıt olarak 4 boyutlu uzay-zamanın bükülmesi neden oldu.

Bu yeni formülasyonun ilginç sonuçlarından biri, uzay zamanının kendisinin dengede olmamasıydı. Bilim adamları, oldukça kısa bir sıraya göre, genel göreliliğin uzay-zamanın genişleyeceğini veya büzüşeceğini öngördüler. Einstein'ın evrenin aslında sonsuz olduğuna inandığını, kozmolojik sabit genişleme veya daralmaya karşı bir baskı sağlayan teoriye. Ancak, gökbilimci Edwin Hubble nihayetinde evrenin aslında genişlediğini keşfettiğinde, Einstein bir hata yaptığını ve kozmolojik sabiti teoriden çıkardığını fark etti.

Eğer evren genişliyorsa, o zaman doğal sonuç, eğer evreni geri sararsanız, onun küçük, yoğun bir madde kümesinde başlamış olması gerektiğini görürsünüz. Evrenin nasıl başladığı teorisine Büyük Patlama Teorisi adı verildi. Bu Fred Hoyle'ın egemenliği için mücadele ettiği için yirminci yüzyılın orta yıllarında tartışmalı bir teoriydi. kararlı durum teorisi. Bununla birlikte, 1965'te kozmik mikrodalga fon radyasyonunun keşfi, büyük patlama ile ilgili olarak yapılmış bir tahmini doğruladı, bu yüzden fizikçiler arasında yaygın olarak kabul edildi.

Kararlı durum teorisi hakkında yanlış olduğu kanıtlanmış olsa da, Hoyle, teorinin yıldız nükleosentezihidrojen ve diğer hafif atomların yıldız denilen nükleer potalar içinde daha ağır atomlara dönüştüğü ve yıldızın ölümü üzerine evrene tükürdüğü teorisidir. Bu ağır atomlar daha sonra su, gezegenler ve nihayetinde insanlar da dahil olmak üzere Dünya üzerinde yaşama dönüşürler! Böylece, çok sayıda hayranı kozmologun sözleriyle, hepimiz yıldız tozundan oluşuyoruz.

Her neyse, evrenin evrimine geri dönelim. Bilim adamları evren hakkında daha fazla bilgi edindikçe ve kozmik mikrodalga fon radyasyonunu daha dikkatli ölçtükçe, bir sorun vardı. Astronomik verilerin ayrıntılı ölçümleri alınırken, kuantumdan gelen kavramların fizik ilk aşamalarını ve evrimini anlamak için daha güçlü bir rol oynamak için gerekli Evren. Bu teorik kozmoloji alanı, hala oldukça spekülatif olsa da, oldukça verimli hale geldi ve bazen kuantum kozmolojisi olarak adlandırılıyor.

Kuantum fiziği, enerji ve maddede üniform olmaya oldukça yakın olan ancak tamamen üniform olmayan bir evren gösterdi. Ancak, erken evrendeki herhangi bir dalgalanma, evrenin genişlediği milyarlarca yıl boyunca büyük ölçüde genişleyecektir... ve dalgalanmalar beklenenden çok daha küçüktü. Yani kozmologlar düzgün olmayan bir erken evreni açıklamanın bir yolunu bulmak zorundaydı, ama bir tek aşırı küçük dalgalanmalar.

1980 yılında bu problemle başa çıkmakta olan bir parçacık fizikçisi Alan Guth'a girin. enflasyon teorisi. Erken evrendeki dalgalanmalar küçük kuantum dalgalanmalarıydı, ancak ultra hızlı genişleme döneminden dolayı erken evrende hızla genişlediler. 1980'den bu yana astronomik gözlemler enflasyon teorisinin tahminlerini desteklemiştir ve şu anda çoğu kozmolog arasında fikir birliği oluşturmaktadır.

Kozmoloji geçen yüzyılda çok ilerlemesine rağmen, hala birkaç açık gizem var. Aslında, modern fiziğin merkezi gizemlerinden ikisi kozmoloji ve astrofizikte baskın problemlerdir:

• Kara Madde - Bazı galaksiler, madde miktarına göre tam olarak açıklanamayacak şekilde hareket ediyor içlerinde gözlenir ("görünür madde" olarak adlandırılır), ancak içinde görünmeyen bir madde varsa açıklanabilir gökada. En son ölçümlere dayanarak evrenin yaklaşık% 25'ini alması beklenen bu ekstra maddeye karanlık madde denir. Astronomik gözlemlere ek olarak, Dünya üzerindeki deneyler Kriyojenik Kara Madde Arama (CDMS) karanlık maddeyi doğrudan gözlemlemeye çalışıyorlar.
• Karanlık enerji - 1998'de, gökbilimciler evrenin yavaşlama hızını tespit etmeye çalıştılar... ama yavaşlamadığını fark ettiler. Aslında, ivme oranı hızlanıyordu. Her şeyden önce Einstein'ın kozmolojik sabitine ihtiyaç duyulduğu, ancak evreni bir denge durumu aslında zaman geçtikçe galaksileri daha hızlı ve daha hızlı bir şekilde birbirinden ayırıyor gibi görünüyor üzerinde. Bu "itici yerçekimi" ne neden olduğu tam olarak bilinmemektedir, ancak fizikçilerin bu maddeye verdiği isim "karanlık enerji" dir. Astronomik gözlemler, bu karanlık enerjinin evrenin yaklaşık% 70'ini oluşturduğunu tahmin ediyor madde.

Bu alışılmadık sonuçları açıklamak için Modifiye Newtonian Dynamics (MOND) ve değişken hız gibi başka öneriler de var ancak bu alternatifler, birçok fizikçi arasında kabul edilmeyen saçak teoriler olarak kabul edilir. alan.

Büyük patlama teorisinin aslında evrenin evrimleşme şeklini tanımladığını belirtmek gerekir. yaratılmasından kısa bir süre sonra, ancak şirketin gerçek kökenleri hakkında doğrudan bilgi veremez. Evren.

Bu, fiziğin bize evrenin kökenleri hakkında hiçbir şey söyleyemeyeceği anlamına gelmez. Fizikçiler en küçük alan ölçeğini keşfettiklerinde, kuantum fiziğinin, Casimir etkisi. Aslında, enflasyon teorisi, herhangi bir maddenin veya enerjinin yokluğunda, uzayzamanın genişleyeceğini öngörür. Bu nedenle, yüz değeri göz önüne alındığında, bilim insanlarına evrenin nasıl ortaya çıkabileceği konusunda makul bir açıklama verir. Gerçek bir "hiçbir şey" olmasaydı, enerji yok, uzay yok, o zaman hiçbir şey kararsız olmazdı ve madde, enerji ve genişleyen bir uzay zamanı üretmeye başlardı. Bu gibi kitapların merkezi tezidir. Büyük Tasarım ve Hiçbir Şeyden Bir Evrenki bu, evrenin doğaüstü bir yaratıcı tanrıya atıfta bulunulmaksızın açıklanabileceğini ortaya koyuyor.

Dünyanın kozmosun merkezi olmadığını tanımanın kozmolojik, felsefi ve belki de teolojik önemini aşırı vurgulamak zor olacaktır. Bu anlamda kozmoloji, geleneksel dini dünya görüşüyle ​​çelişen kanıtlar sunan en eski alanlardan biridir. Aslında, kozmolojideki her ilerleme, insanlığın bir tür olarak ne kadar özel olduğu hakkında yapmak istediğimiz en sevilen varsayımlar karşısında uçuyor gibi görünüyordu... en azından kozmolojik tarih açısından. Bu pasaj Büyük Tasarım tarafından Stephen Hawking ve Leonard Mlodinow, kozmolojiden gelen düşünmedeki dönüşümü etkili bir şekilde ortaya koyuyor:

Nicolaus Copernicus'un güneş sisteminin güneş merkezli modeli, insanların evrenin odak noktası olmadığına dair ikna edici ilk bilimsel gösteri olarak kabul edilmektedir... Artık Kopernik'in sonucunun, uzun süredir devam eden insanlığın özel durumu: Güneş sisteminin merkezinde değiliz, galaksinin merkezinde değiliz, biz evrenin merkezinde bulunmadığımız için, evrenin kütlesi. Böyle kozmik bir düşüş var... bilim insanlarının şimdi Kopernik prensibi olarak adlandırdığı örnekleri örneklendirmektedir: şeylerin büyük planında, bildiğimiz her şey insanlara karşı ayrıcalıklı bir pozisyon işgal etmiyor.