Kosmologie en de impact ervan begrijpen

Kosmologie kan een moeilijke discipline zijn om grip op te krijgen, omdat het een studiegebied binnen de natuurkunde is dat op veel andere gebieden betrekking heeft. (Hoewel, in werkelijkheid, raken tegenwoordig vrijwel alle studiegebieden binnen de natuurkunde vele andere gebieden aan.) Wat is kosmologie? Wat doen de mensen die het bestuderen (de zogenaamde kosmologen) eigenlijk? Welk bewijs is er om hun werk te ondersteunen?

Kosmologie is de wetenschappelijke discipline die de oorsprong en het uiteindelijke lot van het universum bestudeert. Het is het meest verwant aan de specifieke gebieden van astronomie en astrofysica, hoewel de vorige eeuw ook de kosmologie nauw heeft doen aansluiten bij de belangrijkste inzichten uit de deeltjesfysica.

Met andere woorden, we bereiken een fascinerende realisatie:

Ons begrip van de moderne kosmologie komt door het verbinden van het gedrag van de grootste structuren in ons universum (planeten, sterren, sterrenstelsels en sterrenstelsels) samen met die van de kleinste structuren in ons universum (fundamentele deeltjes).

De studie van de kosmologie is waarschijnlijk een van de oudste vormen van speculatief onderzoek naar de natuur en is begonnen op een bepaald moment in de geschiedenis toen een oude mens naar de hemel keek, stelde hij vragen als de in aansluiting op:

• Hoe zijn we hier gekomen?
• Wat gebeurt er aan de nachtelijke hemel?
• Zijn we alleen in het universum?
• Wat zijn die glimmende dingen in de lucht?

Je snapt het idee.

De Ouden bedachten een aantal behoorlijk goede pogingen om deze uit te leggen. De belangrijkste in de westerse wetenschappelijke traditie is de fysica van de oude Grieken, die een alomvattend geocentrisch model van het universum ontwikkelde dat door de eeuwen heen verfijnd werd tot de tijd van Ptolemaeus, waarna de kosmologie heeft zich eeuwenlang niet verder ontwikkeld, behalve in enkele details over de snelheden van de verschillende componenten van de systeem.

De volgende grote vooruitgang op dit gebied kwam van Nicolaus Copernicus in 1543, toen hij zijn astronomieboek op zijn sterfbed publiceerde (in afwachting dat dit tot controverse zou leiden met de katholieke kerk), waarbij hij het bewijs schetst voor zijn heliocentrische model van de zonne-energie systeem. Het belangrijkste inzicht dat deze transformatie in het denken motiveerde, was het idee dat er geen echt was reden om aan te nemen dat de aarde een fundamenteel bevoorrechte positie binnen het fysieke bezit kosmos. Deze verandering in veronderstellingen staat bekend als de Copernican Principle. Het heliocentrische model van Copernicus werd nog populairder en geaccepteerd op basis van het werk van Tycho Brahe, Galileo Galileien Johannes Kepler, die substantieel experimenteel bewijs verzamelde ter ondersteuning van het Copernicaanse heliocentrische model.

Het was Meneer Isaac Newton die in staat was om al deze ontdekkingen samen te brengen in het daadwerkelijk verklaren van de planetaire bewegingen. Hij had de intuïtie en het inzicht om te beseffen dat de beweging van op de aarde vallende objecten vergelijkbaar was met de beweging van objecten die om de aarde cirkelen (in wezen vallen deze objecten voortdurend in de omgeving van de aarde). Omdat deze beweging vergelijkbaar was, realiseerde hij zich dat deze waarschijnlijk werd veroorzaakt door dezelfde kracht, die hij noemde zwaartekracht. Door zorgvuldige observatie en de ontwikkeling van nieuwe wiskunde genoemd calculus en zijn drie bewegingswettenKon Newton vergelijkingen maken die deze beweging in verschillende situaties beschreven.

Hoewel de zwaartekrachtswet van Newton de beweging van de hemel voorspelde, was er één probleem... het was niet helemaal duidelijk hoe het werkte. De theorie stelde dat objecten met massa elkaar in de ruimte aantrekken, maar Newton kon geen wetenschappelijke verklaring ontwikkelen voor het mechanisme dat de zwaartekracht gebruikte om dit te bereiken. Om het onverklaarbare te verklaren, vertrouwde Newton op een algemeen beroep op God, in feite gedragen objecten zich op deze manier als reactie op Gods perfecte aanwezigheid in het universum. Een fysieke verklaring krijgen zou meer dan twee eeuwen wachten tot de komst van een genie wiens intellect zelfs dat van Newton zou kunnen overschaduwen.

De kosmologie van Newton domineerde de wetenschap tot het begin van de twintigste eeuw Albert Einstein ontwikkelde zijn theorie van algemene relativiteit, wat het wetenschappelijke begrip van zwaartekracht herdefinieerde. In de nieuwe formulering van Einstein werd zwaartekracht veroorzaakt door het buigen van 4-dimensionale ruimtetijd als reactie op de aanwezigheid van een enorm object, zoals een planeet, een ster of zelfs een sterrenstelsel.

Een van de interessante implicaties van deze nieuwe formulering was dat ruimtetijd zelf niet in evenwicht was. In vrij korte tijd realiseerden wetenschappers zich dat de algemene relativiteitstheorie voorspelde dat de ruimtetijd zou uitbreiden of krimpen. Geloof dat Einstein geloofde dat het universum eigenlijk eeuwig was, introduceerde hij een kosmologische constante in de theorie, die voor een druk zorgde die de uitzetting of krimp tegenging. Toen astronoom Edwin Hubble uiteindelijk ontdekte dat het universum in feite aan het uitbreiden was, besefte Einstein dat hij een fout had gemaakt en de kosmologische constante uit de theorie had verwijderd.

Als het universum zich uitbreidde, dan is de natuurlijke conclusie dat als je het universum zou terugspoelen, je zou zien dat het in een kleine, dichte massa materie moet zijn begonnen. Deze theorie over hoe het universum begon, werd de oerknaltheorie genoemd. Dit was een controversiële theorie tot het midden van de twintigste eeuw, omdat het wedijverde om dominantie tegen Fred Hoyle's steady state theorie. De ontdekking van de kosmische achtergrondstraling in de magnetron in 1965 bevestigde echter een voorspelling die was gedaan met betrekking tot de oerknal, en werd daarom algemeen aanvaard door natuurkundigen.

Hoewel hem ongelijk werd bewezen over de steady state-theorie, wordt Hoyle gecrediteerd voor de belangrijkste ontwikkelingen in de theorie van stellaire nucleosynthese, wat de theorie is dat waterstof en andere lichte atomen worden omgezet in zwaardere atomen binnen de nucleaire smeltkroezen die sterren worden genoemd, en bij de sterfte van de ster in het universum uitspuwen. Deze zwaardere atomen vormen zich vervolgens in water, planeten en uiteindelijk leven op aarde, inclusief mensen! Dus, in de woorden van veel vol ontzag vervulde kosmologen, we zijn allemaal gevormd uit sterrenstof.

Hoe dan ook, terug naar de evolutie van het universum. Toen wetenschappers meer informatie over het heelal kregen en de kosmische achtergrondstraling van microgolven nauwkeuriger maten, was er een probleem. Toen gedetailleerde metingen van astronomische gegevens werden gedaan, werd het duidelijk dat concepten uit quantum natuurkunde moest een sterkere rol spelen bij het begrijpen van de vroege fasen en evolutie van de universum. Dit veld van theoretische kosmologie, hoewel nog steeds zeer speculatief, is behoorlijk vruchtbaar geworden en wordt soms kwantumkosmologie genoemd.

De kwantumfysica toonde een universum dat bijna uniform was in energie en materie, maar niet helemaal uniform was. Alle fluctuaties in het vroege universum zouden echter enorm zijn uitgebreid in de miljarden jaren dat het universum is uitgebreid... en de fluctuaties waren veel kleiner dan je zou verwachten. Dus kosmologen moesten een manier bedenken om een ​​niet-uniform vroeg universum te verklaren, maar wel een die dat wel had enkel en alleen extreem kleine fluctuaties.

Enter Alan Guth, een deeltjesfysicus die dit probleem in 1980 aanpakte met de ontwikkeling van inflatie theorie. De fluctuaties in het vroege universum waren kleine kwantumfluctuaties, maar ze namen snel toe in het vroege universum vanwege een ultrasnelle expansieperiode. Astronomische waarnemingen sinds 1980 hebben de voorspellingen van de inflatietheorie ondersteund en het is nu de consensusopvatting van de meeste kosmologen.

Hoewel de kosmologie de afgelopen eeuw ver is gevorderd, zijn er nog verschillende openlijke mysteries. Twee van de centrale mysteries in de moderne natuurkunde zijn in feite de dominante problemen in de kosmologie en astrofysica:

• Donkere materie - Sommige sterrenstelsels bewegen op een manier die niet volledig kan worden verklaard op basis van de hoeveelheid materie die is waargenomen in hen ("zichtbare materie" genoemd), maar dat kan worden verklaard als er een extra ongeziene materie in de heelal. Deze extra materie, waarvan wordt voorspeld dat deze ongeveer 25% van het universum inneemt, op basis van de meest recente metingen, wordt donkere materie genoemd. Naast astronomische observaties, experimenten op aarde zoals de Cryogenic Dark Matter Search (CDMS) proberen donkere materie direct waar te nemen.
• Donkere energie - In 1998 probeerden astronomen de snelheid te detecteren waarmee het universum vertraagde... maar ze ontdekten dat het niet vertraagde. In feite versnelde de versnelling. Het lijkt erop dat Einsteins kosmologische constante toch nodig was, maar in plaats van het universum als een te beschouwen staat van evenwicht lijkt het in feite de melkwegstelsels uit elkaar te duwen met een sneller en sneller tempo naarmate de tijd vordert Aan. Het is onbekend wat precies deze "afstotende zwaartekracht" veroorzaakt, maar de naam die natuurkundigen aan die stof hebben gegeven is 'donkere energie'. Astronomische waarnemingen voorspellen dat deze donkere energie ongeveer 70% van de universums uitmaakt stof.

Er zijn enkele andere suggesties om deze ongewone resultaten uit te leggen, zoals Modified Newtonian Dynamics (MOND) en variabele snelheid van de lichtkosmologie, maar deze alternatieven worden beschouwd als randtheorieën die niet door veel natuurkundigen in de wereld worden geaccepteerd veld.

Het is vermeldenswaard dat de oerknaltheorie eigenlijk de manier beschrijft waarop het universum zich sindsdien heeft ontwikkeld kort na de oprichting, maar kan geen directe informatie geven over de werkelijke oorsprong van het universum.

Dit wil niet zeggen dat fysica ons niets kan vertellen over de oorsprong van het universum. Wanneer natuurkundigen de kleinste schaal van de ruimte verkennen, ontdekken ze dat kwantumfysica resulteert in het creëren van virtuele deeltjes, zoals blijkt uit de Casimir-effect. In feite voorspelt de inflatietheorie dat de ruimtetijd zou toenemen als er geen materie of energie zou zijn. Dit is voor wetenschappers dus een redelijke verklaring voor de manier waarop het universum in eerste instantie zou kunnen ontstaan. Als er echt "niets" zou zijn, ongeacht, geen energie, geen ruimtetijd, dan zou dat niets onstabiel zijn en zou het materie, energie en een zich uitbreidende ruimtetijd gaan genereren. Dit is de centrale scriptie van boeken zoals Het grote ontwerp en Een universum uit niets, die stellen dat het universum kan worden verklaard zonder verwijzing naar een bovennatuurlijke schepper-godheid.

Het zou moeilijk zijn om het kosmologische, filosofische en misschien zelfs theologische belang van het erkennen dat de aarde niet het centrum van de kosmos was, te veel te benadrukken. In die zin is kosmologie een van de vroegste velden die bewijs opleverden dat in strijd was met het traditionele religieuze wereldbeeld. In feite leek elke vooruitgang in de kosmologie in strijd te zijn met de meest gekoesterde veronderstellingen die we willen maken over hoe speciaal de mensheid is als soort... althans in termen van kosmologische geschiedenis. Deze passage uit Het grote ontwerp door Stephen Hawking en Leonard Mlodinow beschrijft welsprekend de transformatie in het denken die uit de kosmologie is voortgekomen:

Het heliocentrische model van Nicolaus Copernicus van het zonnestelsel wordt erkend als de eerste overtuigende wetenschappelijke demonstratie dat wij mensen niet het middelpunt van de kosmos zijn... We realiseren ons nu dat het resultaat van Copernicus slechts een van een reeks geneste demoties is die lang bestaande veronderstellingen ten aanzien van de speciale status van de mensheid: we bevinden ons niet in het centrum van het zonnestelsel, we bevinden ons niet in het centrum van de melkweg, we zijn niet gelegen in het centrum van het universum, we zijn zelfs niet gemaakt van de donkere ingrediënten die de overgrote meerderheid van de vormen universum massa. Wat een kosmische degradatie... is een voorbeeld van wat wetenschappers nu het Copernicaanse principe noemen: in het grote geheel van dingen wijst alles wat we weten naar mensen die geen bevoorrechte positie innemen.