Tūkstošiem gadu cilvēki ir vērojuši zvaigznes un prātojuši, kā izveidojās Visums. Bet tikai Pirmā pasaules kara gados pētnieki izstrādāja pirmos novērošanas instrumentus un teorētiskos instrumentus, lai šos lielos jautājumus pārveidotu par precīzu pētījumu lauku: kosmoloģiju.
"Es domāju, ka kosmoloģija ir viens no vecākajiem cilvēkiem interesējošajiem priekšmetiem, bet kā viena no jaunākajām zinātnēm," sacīja Pols Šteinhards, Prinstonas universitātes kosmologs, kurš pēta, vai laikam ir sākums.
Īsumā par kosmoloģiju pēta kosmosu kā vienu entītiju, nevis atsevišķi analizē zvaigznes, melnos caurumus un galaktikas, kas to piepilda. Šis lauks uzdod lielus jautājumus: no kurienes radās Visums? Kāpēc tajā ir zvaigznes, galaktikas un galaktiku kopas? Kas notiks tālāk? "Kosmoloģija mēģina radīt ļoti liela mēroga priekšstatu par Visuma dabu," sacīja Ņujorkas universitātes daļiņu fiziķis Glennys Farrars.
Tā kā šī disciplīna cīnās ar daudzām parādībām, sākot no daļiņām vakuumā un beidzot ar telpas un laika audumu, kosmoloģija ļoti pievēršas daudzām jomām, ieskaitot astronomiju, astrofiziku un aizvien vairāk daļiņu fiziku.
"Kosmoloģijai ir tās daļas, kas pilnībā ietilpst fizikā, daļas, kas pilnībā darbojas astrofizikā, un daļas, kas iet uz priekšu un atpakaļ," sacīja Šteinhards. "Tā ir uztraukuma sastāvdaļa."
Visuma vēstures vēsture
Lauka starpdisciplinārais raksturs palīdz izskaidrot tā salīdzinoši vēlo sākumu. Mūsdienu Visuma aina sāka veidoties tikai 20. gadsimta 20. gados, neilgi pēc tam, kad Alberts Einšteins izstrādāja vispārējās relativitātes teoriju, matemātisku ietvaru, kas gravitāciju raksturo kā telpas un laika saliekuma sekas.
"Pirms jūs saprotat gravitācijas būtību, jūs nevarat īsti izveidot teoriju par to, kāpēc lietas ir tādas, kādas tās ir," sacīja Šteinhards. Citiem spēkiem ir lielāka ietekme uz daļiņām, bet gravitācija ir galvenais planētu, zvaigžņu un galaktiku arēnas spēlētājs. Īzaka Ņūtona gravitācijas apraksts bieži darbojas arī šajā sfērā, taču tas traktē telpu (un laiku) kā stingru un nemainīgu fonu, uz kura mēra notikumus. Einšteina darbs parādīja, ka pati telpa var paplašināties un sarauties, novirzot Visumu no skatuves uz aktieri un ievedot to spogulī kā dinamisku pētījumu objektu.
1920. gadu vidū astronoms Edvīns Habls veica novērojumus no nesen uzbūvētā 100 collu (254 centimetru) Hooker teleskopa Kalifornijas Mount Vilsona observatorijā. Viņš mēģināja nokārtot debates par noteiktu mākoņu izvietojumu kosmosā, ko astronomi varēja redzēt. Habls pierādīja, ka šie “miglāji” nebija mazi, lokāli mākoņi, bet tā vietā bija plaši, tālu zvaigžņu kopi, kas līdzīgi mūsu pašu Piena ceļam - “salu Visumiem” tā laika izteiksmē. Mūsdienās mēs tos saucam par galaktikām un zinām, ka to skaits ir triljonos.
Lielākie nemieri kosmiskajā perspektīvā vēl bija gaidāmi. Habla darbs 1920. gadu beigās liecināja, ka galaktikas visos virzienos virzās prom no mums, izraisot gadu desmitiem ilgas diskusijas. Kosmiskā mikroviļņu fona (CMB) iespējamie mērījumi - gaisma, kas palikusi no Visuma agrīnajiem gadiem un kopš tā laika ir ieslēgta mikroviļņos - 1960. gados pierādīja, ka realitāte atbilst vienai no vispārējās relativitātes ierosinātajām iespējām: Sākot ar mazu un karstu, Visumam ir kopš tā laika ir kļuvis lielāks un vēsāks. Koncepcija kļuva pazīstama kā Lielā sprādziena teorija, un tā grabēja kosmologus, jo tas nozīmēja, ka pat visumam var būt sākums un beigas.
Bet vismaz šie astronomi varēja redzēt galaktiku kustību savos teleskopos. Viena no kosmoloģijas seismiskākajām novirzēm, sacīja Farrars, ir ideja, ka lielākā daļa tur esošo lietu ir izgatavotas no kaut kas cits, kaut kas pilnīgi neredzams. Materiāls, ko mēs varam redzēt, ir nedaudz vairāk par kosmisko noapaļošanas kļūdu - tikai apmēram 5% no visa Visuma.
Pirmais pārējo 95% Visuma noliedzējs, kas tiek saukts par “tumšo sektoru”, savu galvu izaudzināja 70. gados. Toreiz astronoms Vera Rubins saprata, ka galaktikas riņķo tik ātri, ka tām vajadzētu spinēt viena no otras. Farrars sacīja, ka vairāk nekā grūti saskatāms jautājums - galaktikām, kas satur galaktikas kopā, jābūt kaut kam fiziķiem pilnīgi nezināmam, kaut kam, izņemot tās gravitācijas vilkmi, pilnībā tiek ignorēta parastā matērija un gaisma. Vēlākā kartēšana atklāja, ka mūsu redzētās galaktikas ir vienkārši kodoli kolosālo "tumšās matērijas" sfēru centrā. Redzamās matērijas pavedieni, kas stiepjas visā Visumā, karājas uz tumša rāmja, kas atsver redzamās daļiņas piecas pret vienu.
Pēc tam Habla kosmiskais teleskops atklāja negaidītas enerģijas dažādības pazīmes - kuras, pēc kosmologu domām, veido atlikušos 70% no Visuma, ņemot vērā tumšo vielu (25%) un redzamo vielu (5%) - 1990. gados, kad uzrādīja visuma paplašināšanos, jo ātrums pārskrēja kā bēgošs vilciens. "Tumšā enerģija", iespējams, pats kosmosam raksturīgais enerģijas veids, atdala Visumu ātrāk, nekā gravitācija var savietot kosmosu. Triljona gadu laikā visi Piena ceļā palikušie astronomi atradīsies īstā salu Visumā, kuru apņem tumsa.
"Mēs atrodamies pārejas brīdī Visuma vēsturē, no kurienes to pārvalda matērija, līdz vietai, kurā to dominē jauna veida enerģija," sacīja Šteinhards. "Tumšā matērija noteica mūsu pagātni. Tumšā enerģija noteiks mūsu nākotni."
Mūsdienu un nākotnes kosmoloģija
Pašreizējā kosmoloģija ieskauj šos ievērojamos atklājumus tā vainagojamajā sasniegumā - Lambda-CDM modelī. Dažkārt to sauc par kosmoloģijas modeli. Šis vienādojumu kopums apraksta Visumu, sākot no tā pirmās sekundes. Modelis pieņem zināmu tumšās enerģijas daudzumu (lambda, tā attēlošanai vispārējā relativitātē) un auksto tumšo vielu (CDM), un sniedz līdzīgus minējumus par redzamās vielas daudzumu, Visuma formu un citām īpašībām, ko visu nosaka eksperimenti. un novērojumi.
Atskaņojiet šo mazuļa Visuma filmu uz priekšu 13,8 miljardu gadu garumā, un kosmologi saņem momentuzņēmumu, kurā "statistiski ir viss, ko varam izmērīt līdz noteiktam brīdim", sacīja Šteinhards. Šis modelis pārstāv mērķi pārspēt, kosmologiem padziļinot Visuma aprakstus dziļāk pagātnē un nākotnē.
Tikpat veiksmīgs kā Lambda-CDM, tajā joprojām ir daudz radīšanas vietu, kuras nepieciešams izstrādāt. Kosmologi iegūst pretrunīgus rezultātus, mēģinot izpētīt Visuma pašreizējo izplešanos atkarībā no tā, vai viņi to mēra tieši tuvējās galaktikās vai secina no CMB. Šis modelis arī neko nesaka par tumšās matērijas kosmētiku vai enerģiju.
Tad tur ir tā apgrūtinošā eksistences pirmā sekunde, kad Visums, domājams, pārgāja no bezgalīga speķa uz relativistiski labi izturētu burbuli. "Inflācija" ir populāra teorija, kas mēģina tikt galā ar šo periodu, izskaidrojot, kā īss, vēl straujāks izplešanās brīdis saplaisāja mazās sākotnējās variācijas mūsdienu galaktiku liela mēroga nevienmērīgumā, kā arī to, kā vērtības Lambda-CDM ieguva .
Neviens tomēr nezina, kā inflācija sīki darbojās vai kāpēc tā apstājās tur, kur to varēja darīt. Šteinhards sacīja, ka inflācijai vajadzēja turpināties daudzos kosmosa reģionos, norādot, ka mūsu Visums ir tikai viena “multiverse” šķēle, kurā ir katra iespējamā fiziskā realitāte - neapstrīdama ideja, kuru daudzi eksperimentālisti uzskata par satraucošu.
Lai panāktu progresu šādos jautājumos, kosmologi meklē precīzus mērījumus no kosmosa teleskopiem, piemēram, Habla kosmiskā teleskopa un gaidāmā Džeimsa Veba kosmiskā teleskopa, kā arī eksperimentiem topošajā gravitācijas viļņu astronomijas jomā, piemēram, Nacionālā zinātnes fonda Lāzera interferometra gravitācijas viļņu observatorija. Kosmologi pievienojas arī daļiņu fiziķiem un astrofiziķiem starpnozaru sacensībā, lai noteiktu tumšās vielas daļiņas.
Tāpat kā kosmoloģija nevarēja sākties, kamēr vēl nebija nobriedušas citas fizikas nozares, tā nespēs pabeigt Visuma vēstures atklāšanu, kamēr citas jomas nebūs pilnīgākas. "Lai stāsts nonāktu taisni, jums ir jāizstrādā visi fizikas likumus visās enerģijas skalās un visos apstākļos, "sacīja Šteinhards. "Un izmaiņas kādā no tām varētu radikāli mainīt kosmoloģisko stāstu."
Fērārs sacīja, ka viņa nezina, vai tas notiks, bet brīnās, ka cilvēki ir tik daudz izpratuši Visuma sarežģītības pakāpes, cik viņiem ir. "Tas ir pārsteidzoši, ka cilvēka smadzenes ir attīstījušās tiktāl, ka uz šiem jautājumiem acīmredzami var atbildēt," viņa teica. "Daži no viņiem vismaz."
Papildu resursiem:
