Για χιλιάδες χρόνια, οι άνθρωποι έχουν παρακολουθήσει τα αστέρια και αναρωτήθηκαν πώς έγινε το σύμπαν. Αλλά μέχρι τα χρόνια του Α 'Παγκοσμίου Πολέμου οι ερευνητές ανέπτυξαν τα πρώτα μέσα παρατήρησης και τα θεωρητικά εργαλεία για να μετατρέψουν αυτά τα μεγάλα ερωτήματα σε ένα ακριβές πεδίο σπουδών: την κοσμολογία.
"Νομίζω ότι η κοσμολογία είναι ένα από τα παλαιότερα θέματα ανθρώπινου ενδιαφέροντος αλλά ως μία από τις νεότερες επιστήμες", δήλωσε ο Paul Steinhardt, κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο του Princeton που μελετά αν ο χρόνος έχει αρχίσει.
Η κοσμολογία, με λίγα λόγια, μελετά τον κόσμο ως μια οντότητα, αντί να αναλύει χωριστά τα αστέρια, τις μαύρες τρύπες και τους γαλαξίες που το γεμίζουν. Αυτό το πεδίο θέτει μεγάλα ερωτήματα: Από πού προέρχεται το σύμπαν; Γιατί έχουν άστρα, γαλαξίες και συστάδες γαλαξιών; Τι θα συμβεί στη συνέχεια; "Η κοσμολογία προσπαθεί να κάνει μια πολύ μεγάλη εικόνα της φύσης του σύμπαντος", δήλωσε ο Glennys Farrar, φυσικός σωματιδίων στο Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης.
Επειδή αυτή η πειθαρχία αγωνίζεται με πολλά φαινόμενα, από τα σωματίδια στο κενό μέχρι τον ιστό του χώρου και του χρόνου, η κοσμολογία αντλεί έντονα σε πολλούς τομείς, συμπεριλαμβανομένης της αστρονομίας, της αστροφυσικής και, ολοένα και περισσότερο, της σωματιδιακής φυσικής.
"Η κοσμολογία έχει μέρη της που είναι πλήρως στη φυσική, τμήματα που είναι πλήρως στην αστροφυσική και μέρη που πηγαίνουν πέρα δώθε", δήλωσε ο Steinhardt. "Αυτό είναι μέρος του ενθουσιασμού."
Μια ιστορία της ιστορίας του σύμπαντος
Ο διεπιστημονικός χαρακτήρας του πεδίου βοηθάει να εξηγηθεί η συγκριτικά αργή εκκίνησή του. Η σύγχρονη εικόνα του σύμπαντος άρχισε να συναντάται μόνο στη δεκαετία του 1920, λίγο μετά που ο Albert Einstein ανέπτυξε τη θεωρία της γενικής σχετικότητας, ένα μαθηματικό πλαίσιο που περιγράφει τη βαρύτητα ως συνέπεια της κάμψης του χώρου και του χρόνου.
"Πριν καταλάβετε τη φύση της βαρύτητας, δεν μπορείτε πραγματικά να κάνετε μια θεωρία για το γιατί τα πράγματα είναι όπως είναι", δήλωσε ο Steinhardt. Άλλες δυνάμεις έχουν μεγαλύτερες επιπτώσεις στα σωματίδια, αλλά η βαρύτητα είναι ο κύριος παίκτης στην αρένα των πλανητών, των αστεριών και των γαλαξιών. Η περιγραφή της βαρύτητας του Isaac Newton συχνά λειτουργεί και σε εκείνη τη σφαίρα, αλλά αντιμετωπίζει το διάστημα (και το χρόνο) ως ένα άκαμπτο και αμετάβλητο σκηνικό κατά το οποίο μετράμε γεγονότα. Το έργο του Αϊνστάιν έδειξε ότι ο ίδιος ο χώρος θα μπορούσε να επεκταθεί και να συστέλλεται, μετατοπίζοντας το σύμπαν από τη σκηνή στον ηθοποιό και φέρνοντάς τον στο φούρνο ως ένα δυναμικό αντικείμενο μελέτης.
Στα μέσα της δεκαετίας του 1920, ο αστρονόμος Edwin Hubble έκανε παρατηρήσεις από το πρόσφατα χτισμένο τηλεσκόπιο Hooker των 100 ιντσών (254 εκατοστά) στο Observatory του Mount Wilson στην Καλιφόρνια. Προσπαθούσε να διευθετήσει μια συζήτηση σχετικά με την τοποθεσία ορισμένων νεφών στο διάστημα που οι αστρονόμοι μπορούσαν να δουν. Το Hubble απέδειξε ότι αυτά τα "νεφελώματα" δεν ήταν μικρά τοπικά σύννεφα αλλά ήταν απέραντες, μακρινές αστρικές συστάδες παρόμοιες με τη δική μας Γαλαξία μας - «νησιωτικά σύμπαντα» στη λογοτεχνία της εποχής. Σήμερα, τους καλούμε γαλαξίες και γνωρίζουμε ότι αριθμούν στα τρισεκατομμύρια.
Οι μεγαλύτερες αναταραχές στην κοσμική προοπτική δεν έφτασαν ακόμα. Το έργο του Χαμπλ στα τέλη της δεκαετίας του 1920 έδειξε ότι οι γαλαξίες σε κάθε κατεύθυνση απομακρύνονται από μας, προκαλώντας δεκαετίες περαιτέρω συζητήσεων. Οι πιθανές μετρήσεις του κοσμικού μικροκυματικού υποβάθρου (CMB) - το φως που απομένει από τα πρώτα χρόνια του σύμπαντος και από τότε που τεντώθηκε στα μικροκύματα - στη δεκαετία του 1960 έδειξε ότι η πραγματικότητα ταιριάζει με μία από τις δυνατότητες που προτείνει η γενική σχετικότητα: Ξεκινώντας από το μικρό και το θερμό, όλο και όλο και όλο και πιο κρύο από τότε. Η ιδέα έγινε γνωστή ως η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης και κουνούσε τους κοσμολόγους επειδή υπονοούσε ότι ακόμη και το σύμπαν θα μπορούσε να έχει αρχή και τέλος.
Αλλά τουλάχιστον οι αστρονόμοι μπορούσαν να δουν την κίνηση των γαλαξιών στα τηλεσκόπια τους. Μία από τις πιο σεισμικές μετατοπίσεις της κοσμολογίας, είπε ο Farrar, είναι η ιδέα ότι η συντριπτική πλειοψηφία των υλικών εκεί έξω είναι κατασκευασμένη από κάτι άλλο, κάτι εντελώς αόρατο. Το υλικό που βλέπουμε είναι λίγο περισσότερο από ένα κοσμικό σφάλμα στρογγυλοποίησης - μόνο το 5% περίπου όλων των συνόλων.
Το πρώτο denizen του άλλου 95% του σύμπαντος, αυτό που αποκαλείται "σκοτεινό τομέα", αυξήθηκε το κεφάλι του στη δεκαετία του 1970. Τότε, ο αστρονόμος Βέρα Ρουμπίν συνειδητοποίησε ότι οι γαλαξίες ήταν γύρω από τόσο γρήγορα που έπρεπε να περιστραφούν. Πέρα από το δύσκολο να δούμε την ύλη, είπε ο Farrar, τα πράγματα που κρατούσαν τους γαλαξίες μαζί έπρεπε να είναι κάτι εντελώς άγνωστο στους φυσικούς, κάτι που - εκτός από την βαρυτική έλξη - αγνοεί εντελώς τη συνηθισμένη ύλη και το φως. Η μεταγενέστερη χαρτογράφηση αποκάλυψε ότι οι γαλαξίες που βλέπουμε είναι απλώς πυρήνες στο κέντρο των κολοσσιαίων σφαίρων "σκοτεινής ύλης". Τα νήματα της ορατής ύλης που απλώνουν το σύμπαν κρέμονται πάνω σε ένα σκοτεινό πλαίσιο που υπερβαίνει τα ορατά σωματίδια πέντε προς ένα.
Το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble αποκάλυψε έπειτα σημάδια μιας απροσδόκητης ποικιλίας ενέργειας - την οποία οι κοσμολόγοι λένε τώρα για το υπόλοιπο 70% του σύμπαντος μετά τη λογιστική της σκοτεινής ύλης (25%) και της ορατής ύλης (5%) στη δεκαετία του 1990, όταν ώθησε την επέκταση του σύμπαντος να επιταχύνεται σαν τρένο διαφυγής. Η "σκοτεινή ενέργεια", πιθανώς ένα είδος ενέργειας που είναι εγγενές στο ίδιο το διάστημα, ωθεί το σύμπαν σε απόσταση γρηγορότερα από ότι η βαρύτητα μπορεί να τραβήξει τον κόσμο μαζί. Σε τρισεκατομμύρια χρόνια, όλοι οι αστρονόμοι που έφυγαν από τον Γαλαξία θα βρεθούν σε ένα αληθινό νησιωτικό σύμπαν, που περιβάλλεται από το σκοτάδι.
"Είμαστε σε ένα σημείο μετάβασης στην ιστορία του σύμπαντος, από όπου κυριαρχείται από την ύλη έως εκεί που κυριαρχείται από μια νέα μορφή ενέργειας", δήλωσε ο Steinhardt. "Η σκοτεινή ύλη καθορίζει το παρελθόν μας. Η σκοτεινή ενέργεια θα καθορίσει το μέλλον μας."
Σύγχρονη και μελλοντική κοσμολογία
Η τρέχουσα κοσμολογία πακέτα αυτών των ανακαλύψεων ορόσημο στο επίτευγμα στέμμα της, το μοντέλο Lambda-CDM. Μερικές φορές ονομάζεται πρότυπο μοντέλο κοσμολογίας, αυτή η δέσμη εξισώσεων περιγράφει το σύμπαν από το πρώτο περίπου δευτερόλεπτο του. Το μοντέλο αναλαμβάνει μια ορισμένη ποσότητα σκοτεινής ενέργειας (λάμδα, για την αντιπροσώπευσή του στη γενική σχετικότητα) και την κρύα σκοτεινή ύλη (CDM) και κάνει παρόμοιες εικασίες σχετικά με την ποσότητα της ορατής ύλης, το σχήμα του σύμπαντος και άλλα χαρακτηριστικά, και τις παρατηρήσεις.
Παίξτε αυτή την ταινία μωρού-κόσμου προς τα εμπρός 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια, και οι κοσμολόγοι παίρνουν ένα στιγμιότυπο που «έχει στατιστικά ό, τι μπορούμε να μετρήσουμε μέχρι ένα συγκεκριμένο σημείο», είπε ο Steinhardt. Αυτό το μοντέλο αντιπροσωπεύει το στόχο να νικήσει καθώς οι κοσμολόγοι προωθούν τις περιγραφές του σύμπαντος βαθύτερα στο παρελθόν και στο μέλλον.
Καθώς είναι επιτυχημένη και η Lambda-CDM, εξακολουθεί να έχει πολλές συσπάσεις που χρειάζονται επεξεργασία. Οι κοσμολόγοι παίρνουν αντικρουόμενα αποτελέσματα όταν προσπαθούν να μελετήσουν την τρέχουσα επέκταση του σύμπαντος, ανάλογα με το αν το μετράνε απευθείας στους κοντινούς γαλαξίες ή το συμπεραίνουν από το CMB. Αυτό το μοντέλο δεν λέει τίποτα για το μακιγιάζ της σκοτεινής ύλης ή της ενέργειας.
Τότε υπάρχει εκείνο το ενοχλητικό πρώτο δευτερόλεπτο ύπαρξης, όταν το σύμπαν προφανώς πήγε από το απειροελάχιστο στίγμα σε φούσκα σχετικώς καλής συμπεριφοράς. Ο "πληθωρισμός" είναι μια δημοφιλής θεωρία που προσπαθεί να χειριστεί αυτή την περίοδο, εξηγώντας πώς μια σύντομη στιγμή ακόμα πιο γρήγορης επέκτασης έσκαψε μικροσκοπικές πρωταρχικές παραλλαγές στην μεγάλης κλίμακας ανομοιογένεια των σημερινών γαλαξιών, καθώς και πώς οι εισόδους Lambda-CDM πήραν τις αξίες τους .
Κανείς δεν ξέρει πώς ο πληθωρισμός δούλεψε λεπτομερώς ή γιατί σταμάτησε όπου πιθανότατα το έκανε. Ο Steinhardt είπε ότι ο πληθωρισμός θα έπρεπε να έχει συνεχιστεί σε πολλές περιοχές του διαστήματος, υπονοώντας ότι το σύμπαν μας είναι μόνο ένα κομμάτι ενός "multiverse" που περιέχει κάθε πιθανή φυσική πραγματικότητα - μια άγνωστη ιδέα που πολλοί πειραματιστές βρίσκουν ανησυχητικές.
Για να σημειώσουν πρόοδο σε ερωτήματα όπως αυτές, οι κοσμολόγοι αναζητούν μετρήσεις ακρίβειας από τηλεσκόπια με βάση το διάστημα όπως το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble και το επερχόμενο διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb, καθώς και πειράματα στο αναδυόμενο πεδίο αστρονομίας βαρυτικών κυμάτων, όπως το National Science Foundation Παρατηρητήριο βαρυτικών κυμάτων με συμβολισμό λέιζερ. Οι κοσμολόγοι ενώνουν επίσης τους σωματικούς φυσικούς και τους αστροφυσικούς σε μια διεπιστημονική φυλή για την ανίχνευση σωματιδίων σκοτεινής ύλης.
Ακριβώς όπως η κοσμολογία δεν μπορούσε να ξεκινήσει μέχρι να ωριμάσουν άλλοι κλάδοι της φυσικής, δεν θα μπορέσει να τελειώσει αποκαλύπτοντας την ιστορία του σύμπαντος μέχρις ότου οι άλλοι τομείς είναι πιο πλήρεις. "Για να πάρετε την ιστορία ευθεία, πρέπει να επεξεργαστείτε ουσιαστικά όλα τους νόμους της φυσικής σε όλες τις κλίμακες ενέργειας και υπό οποιεσδήποτε συνθήκες ", δήλωσε ο Steinhardt. "Και μια αλλαγή σε οποιαδήποτε από αυτές θα μπορούσε να αλλάξει ριζικά την κοσμολογική ιστορία."
Ο Farrar είπε ότι δεν γνωρίζει αν αυτό θα συμβεί, αλλά θαυμάζει ότι οι άνθρωποι έχουν καταλάβει τις πολυπλοκότητες του σύμπαντος όσο έχουν. "Είναι καταπληκτικό το γεγονός ότι ο ανθρώπινος εγκέφαλος εξελίχθηκε στο σημείο που μπορεί προφανώς να απαντηθούν αυτά τα ερωτήματα", είπε. "Μερικοί από αυτούς τουλάχιστον."
Πρόσθετος πόροι:
