Interessant

Kosmologie en de impact ervan begrijpen

Kosmologie en de impact ervan begrijpen

Kosmologie kan een moeilijke discipline zijn om grip op te krijgen, omdat het een vakgebied is binnen de fysica dat veel andere gebieden raakt. (Hoewel de waarheid is dat tegenwoordig vrijwel alle vakgebieden binnen de natuurkunde veel andere gebieden raken.) Wat is kosmologie? Wat doen de mensen die het bestuderen (kosmologen genoemd) eigenlijk? Welk bewijs is er om hun werk te ondersteunen?

Kosmologie in één oogopslag

Kosmologie is de wetenschapsdiscipline die de oorsprong en het uiteindelijke lot van het universum bestudeert. Het is het nauwst verwant met de specifieke gebieden van astronomie en astrofysica, hoewel de vorige eeuw de kosmologie ook nauw heeft afgestemd op belangrijke inzichten uit de deeltjesfysica.

Met andere woorden, we bereiken een fascinerende realisatie:

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

Geschiedenis van de kosmologie

De studie van de kosmologie is waarschijnlijk een van de oudste vormen van speculatief onderzoek naar de natuur, en het begon op een bepaald punt in de geschiedenis toen een oude mens naar de hemel keek en vragen stelde zoals:

  • 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 wel.

De ouden kwamen met een aantal behoorlijk goede pogingen om deze uit te leggen. De belangrijkste onder deze in de westerse wetenschappelijke traditie is de fysica van de oude Grieken, die een uitgebreid geocentrisch model van het universum ontwikkelden dat in de loop van de eeuwen tot de tijd van Ptolemae werd verfijnd, op welk moment de kosmologie zich echt pas enkele eeuwen verder ontwikkelde , behalve in enkele details over de snelheden van de verschillende componenten van het systeem.

De volgende grote stap vooruit op dit gebied kwam van Nicolaus Copernicus in 1543, toen hij zijn astronomieboek op zijn sterfbed publiceerde (in afwachting dat het controverse met de katholieke kerk zou veroorzaken), met het bewijs voor zijn heliocentrische model van het zonnestelsel. Het belangrijkste inzicht dat deze transformatie in het denken motiveerde, was het idee dat er geen echte reden was om aan te nemen dat de aarde een fundamenteel bevoorrechte positie in de fysieke kosmos heeft. Deze verandering in veronderstellingen staat bekend als het Copernicaanse principe. Het heliocentrische model van Copernicus werd nog populairder en geaccepteerd op basis van het werk van Tycho Brahe, Galileo Galilei en Johannes Kepler, die substantieel experimenteel bewijs verzamelden ter ondersteuning van het Copernicaanse heliocentrische model.

Het was echter Sir Isaac Newton die al deze ontdekkingen bij elkaar kon brengen om de planetaire bewegingen daadwerkelijk uit te leggen. Hij had de intuïtie en het inzicht om te beseffen dat de beweging van objecten die op de aarde vielen vergelijkbaar was met de beweging van objecten die rond de aarde cirkelen (in wezen vallen deze objecten voortdurend in de omgeving van de aarde). Omdat deze beweging vergelijkbaar was, besefte hij dat het waarschijnlijk werd veroorzaakt door dezelfde kracht, die hij zwaartekracht noemde. Door zorgvuldige observatie en de ontwikkeling van nieuwe wiskunde genaamd calculus en zijn drie bewegingswetten, was Newton in staat om vergelijkingen te maken die deze beweging in verschillende situaties beschreven.

Hoewel de zwaartekrachtwet van Newton werkte om de beweging van de hemel te voorspellen, was er een probleem ... het was niet precies duidelijk hoe het werkte. De theorie stelde dat objecten met massa elkaar in de ruimte aantrekken, maar Newton was niet in staat om een ​​wetenschappelijke verklaring te ontwikkelen voor het mechanisme dat zwaartekracht gebruikte om dit te bereiken. Om het onverklaarbare te verklaren, vertrouwde Newton op een generiek beroep op God, in feite gedragen objecten zich op deze manier in 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 kon verduisteren.

Algemene relativiteitstheorie en de oerknal

Newtons kosmologie domineerde de wetenschap tot het begin van de twintigste eeuw, toen Albert Einstein zijn algemene relativiteitstheorie ontwikkelde, die het wetenschappelijke begrip van zwaartekracht herdefinieerde. In de nieuwe formulering van Einstein werd de zwaartekracht veroorzaakt door de buiging van 4-dimensionale ruimtetijd in reactie op de aanwezigheid van een enorm object, zoals een planeet, een ster of zelfs een melkwegstelsel.

Een van de interessante implicaties van deze nieuwe formulering was dat ruimtetijd zelf niet in evenwicht was. In vrij korte volgorde beseften wetenschappers dat de algemene relativiteitstheorie voorspelde dat de ruimtetijd zou uitbreiden of inkrimpen. Geloof dat Einstein geloofde dat het universum eigenlijk eeuwig was, hij introduceerde een kosmologische constante in de theorie, die een druk bood die de expansie of contractie tegenging. Toen astronoom Edwin Hubble uiteindelijk echter ontdekte dat het universum zich in feite uitbreidde, 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 de constante theorie van Fred Hoyle. De ontdekking van de kosmische microgolf-achtergrondstraling in 1965 bevestigde echter een voorspelling die was gedaan met betrekking tot de oerknal en werd daarom algemeen aanvaard door natuurkundigen.

Hoewel hij ongelijk kreeg over de steady-state-theorie, wordt Hoyle gecrediteerd met de belangrijkste ontwikkelingen in de theorie van stellaire nucleosynthese, wat de theorie is dat waterstof en andere lichte atomen worden omgezet in zwaardere atomen in de nucleaire smeltkroezen die sterren worden genoemd en uitspugen in het universum na de dood van de ster. Deze zwaardere atomen vormen zich vervolgens in water, planeten en uiteindelijk leven op aarde, inclusief mensen! Dus, in de woorden van veel kosmologen die met ontzag in de war zijn, zijn we allemaal gevormd uit sterrenstof.

Hoe dan ook, terug naar de evolutie van het universum. Naarmate wetenschappers meer informatie over het universum verzamelden en de achtergrondstraling van de kosmische microgolven nauwkeuriger maten, ontstond er een probleem. Toen gedetailleerde metingen werden verricht van astronomische gegevens, werd het duidelijk dat concepten uit de kwantumfysica een sterkere rol moesten spelen bij het begrijpen van de vroege fasen en evolutie van het 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 vrij dicht in de buurt kwam van uniform in energie en materie, maar niet helemaal uniform was. Alle schommelingen in het vroege universum zouden echter enorm zijn toegenomen in de miljarden jaren dat het universum zich uitbreidde ... en de schommelingen waren veel kleiner dan men zou verwachten. Dus kosmologen moesten een manier bedenken om een ​​niet-uniform vroeg universum te verklaren, maar een die dat wel had gedaan enkel en alleen extreem kleine schommelingen.

Voer Alan Guth, een deeltjesfysicus, die dit probleem in 1980 aanpakte met de ontwikkeling van de inflatietheorie. De fluctuaties in het vroege universum waren kleine kwantumfluctuaties, maar ze breidden zich snel uit in het vroege universum vanwege een ultrasnelle periode van expansie. Astronomische waarnemingen sinds 1980 hebben de voorspellingen van de inflatietheorie ondersteund en dit is nu de consensus onder de meeste kosmologen.

Mysteries of Modern Cosmology

Hoewel de kosmologie de afgelopen eeuw veel is gevorderd, zijn er nog steeds verschillende open mysteries. In feite zijn twee van de centrale mysteries in de moderne fysica 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 in hen wordt waargenomen ("zichtbare materie" genoemd), maar die kan worden verklaard als er een extra ongeziene materie in de melkweg is. Deze extra materie, waarvan wordt voorspeld dat deze ongeveer 25% van het universum in beslag neemt, op basis van de meest recente metingen, wordt donkere materie genoemd. Naast astronomische observaties proberen experimenten op aarde, zoals de Cryogenic Dark Matter Search (CDMS), donkere materie direct te observeren.
  • 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 de kosmologische constante van Einstein toch nodig was, maar in plaats van het universum als een evenwichtstoestand te houden, lijkt het de sterrenstelsels in de loop van de tijd steeds sneller uit elkaar te duwen. Het is onbekend wat precies deze 'afstotende zwaartekracht' veroorzaakt, maar de naam die natuurkundigen die stof hebben gegeven is 'donkere energie'. Astronomische waarnemingen voorspellen dat deze donkere energie ongeveer 70% van de substantie van het universum uitmaakt.

Er zijn enkele andere suggesties om deze ongewone resultaten te verklaren, zoals Modified Newtonian Dynamics (MOND) en variabele snelheid van de lichtkosmologie, maar deze alternatieven worden beschouwd als marginale theorieën die niet door veel fysici in het veld worden geaccepteerd.

Oorsprong van het heelal

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

Dit wil niet zeggen dat natuurkunde ons niets kan vertellen over de oorsprong van het universum. Wanneer natuurkundigen de kleinste schaal van de ruimte verkennen, ontdekken ze dat de kwantumfysica resulteert in het creëren van virtuele deeltjes, zoals blijkt uit het 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.

De rol van de mensheid in de kosmologie

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 als soort is ... althans in termen van kosmologische geschiedenis. Deze passage uit Het grote ontwerp door Stephen Hawking en Leonard Mlodinow legt welsprekend de transformatie in het denken uit die afkomstig is van de kosmologie:

Het heliocentrische model van Nicolaus Copernicus van het zonnestelsel wordt erkend als de eerste overtuigende wetenschappelijke demonstratie dat wij mensen niet het brandpunt 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 omver werpen met betrekking tot 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 bevinden ons niet in het centrum van het universum, we zijn niet eens gemaakt van de donkere ingrediënten vormen de overgrote meerderheid van de massa van het universum. Een dergelijke kosmische verlaging ... 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.

Bekijk de video: Biblical Series I: Introduction to the Idea of God (Juli- 2020).