В течение тысяч лет люди наблюдали за звездами и задавались вопросом, как возникла Вселенная. Но только в годы Первой мировой войны исследователи разработали первые наблюдательные инструменты и теоретические инструменты, чтобы превратить эти большие вопросы в точную область исследования: космология.
«Я считаю космологию одним из древнейших предметов, представляющих человеческий интерес, но одной из новейших наук», - сказал Пол Стейнхардт, космолог из Принстонского университета, который изучает, есть ли время у начала.
Вкратце, космология изучает космос как единое целое, а не анализирует отдельно звезды, черные дыры и галактики, которые его заполняют. Это поле задает большие вопросы: откуда взялась Вселенная? Почему у него есть звезды, галактики и скопления галактик? Что будет дальше? «Космология пытается создать очень масштабную картину природы Вселенной», - сказал Гленнис Фаррар, физик элементарных частиц в Нью-Йоркском университете.
Поскольку эта дисциплина борется со многими явлениями, от частиц в вакууме до ткани пространства и времени, космология в значительной степени опирается на многие области, включая астрономию, астрофизику и, все чаще, физику элементарных частиц.
«В космологии есть ее части, полностью посвященные физике, части, полностью посвященные астрофизике, и части, которые движутся взад и вперед», - сказал Стейнхардт. «Это часть волнения».
История истории вселенной
Междисциплинарный характер поля помогает объяснить его сравнительно позднее начало. Наша современная картина вселенной начала собираться только в 1920-х годах, вскоре после того, как Альберт Эйнштейн разработал теорию общей теории относительности, математическую структуру, которая описывает гравитацию как следствие изгиба пространства и времени.
«Прежде чем понять природу гравитации, вы не сможете составить теорию о том, почему вещи такие, какие они есть», - сказал Стейнхардт. Другие силы оказывают большее влияние на частицы, но гравитация является основным игроком на арене планет, звезд и галактик. Описание гравитации Исаака Ньютона часто работает и в этой области, но оно рассматривает пространство (и время) как жесткий и неизменный фон для измерения событий. Работа Эйнштейна показала, что само пространство может расширяться и сжиматься, перемещая вселенную от сцены к актеру и превращая ее в драку как динамический объект для изучения.
В середине 1920-х годов астроном Эдвин Хаббл провел наблюдения с недавно построенного 100-дюймового (254 сантиметра) телескопа Хукера в обсерватории Маунт-Уилсон в Калифорнии. Он пытался уладить дискуссию о местонахождении некоторых облаков в космосе, которые могли видеть астрономы. Хаббл доказал, что эти "туманности" не были небольшими локальными облаками, а представляли собой обширные отдаленные звездные скопления, похожие на наш собственный Млечный Путь - "островные вселенные", на языке того времени. Сегодня мы называем их галактиками и знаем, что их число исчисляется триллионами.
Самые большие потрясения в космической перспективе были еще впереди. Работа Хаббла в конце 1920-х годов показала, что галактики во всех направлениях удаляются от нас, вызывая десятилетия дальнейших дебатов. Возможные измерения космического микроволнового фона (CMB) - света, оставшегося от ранних лет вселенной и с тех пор растянутого до микроволн, - в 1960-х годах доказали, что реальность соответствует одной из возможностей, предлагаемых общей теорией относительности: начиная с малого и горячего, Вселенная имеет с тех пор становился все больше и холоднее. Эта концепция стала известной как теория Большого взрыва, и она коснулась космологов, потому что она подразумевала, что даже вселенная может иметь начало и конец.
Но, по крайней мере, эти астрономы могли видеть движение галактик в своих телескопах. По словам Фаррара, одним из самых сейсмических сдвигов в космологии является идея о том, что подавляющее большинство этого материала состоит из чего-то другого, чего-то совершенно невидимого. Материал, который мы видим, составляет чуть больше космической ошибки округления - всего около 5% всего во вселенной.
Первый обитатель остальных 95% вселенной, так называемый «темный сектор», возродился в 1970-х годах. Тогда астроном Вера Рубин поняла, что галактики вращаются вокруг так быстро, что они должны расколоться. Фаррар сказал, что материя, скрепляющая галактики, должна быть чем-то совершенно непонятным, что должно быть чем-то совершенно неизвестным физикам, чем-то, что, кроме гравитационного притяжения, полностью игнорирует обычную материю и свет. Позднее картирование показало, что галактики, которые мы видим, являются просто ядрами в центре колоссальных сфер "темной материи". Волокна видимой материи, простирающиеся по всей вселенной, висят на темной раме, которая перевешивает видимые частицы в пять раз.
Космический телескоп Хаббл обнаружил признаки неожиданного разнообразия энергии, которое, по словам космологов, составляет оставшиеся 70% Вселенной после учета темной материи (25%) и видимой материи (5%) в 1990-х годах, когда она разогнал расширение вселенной как ускоряющееся, как беглый поезд. «Темная энергия», возможно, тип энергии, присущей самому пространству, раздвигает вселенную быстрее, чем гравитация может сблизить космос. Через триллион лет все астрономы, оставшиеся в Млечном Пути, окажутся в настоящей островной вселенной, окутанной тьмой.
«Мы находимся на переходном этапе в истории вселенной, где доминирует материя, где доминирует новая форма энергии», - сказал Стейнхардт. «Темная материя определила наше прошлое. Темная энергия определит наше будущее».
Современная и будущая космология
Современная космология объединяет эти выдающиеся открытия в свое выдающееся достижение - модель Lambda-CDM. Иногда этот набор уравнений, называемый стандартной моделью космологии, описывает вселенную примерно с первой секунды. Модель предполагает определенное количество темной энергии (лямбда, для ее представления в общей теории относительности) и холодной темной материи (CDM) и делает аналогичные предположения о количестве видимой материи, форме Вселенной и других характеристиках, все это определяется экспериментально. и наблюдения.
Воспроизведите этот фильм «Вселенная младенца» вперед на 13,8 миллиарда лет, и космологи получат снимок, который «статистически имеет все, что мы можем измерить до определенного момента», сказал Стейнхардт. Эта модель представляет собой цель для достижения цели, поскольку космологи толкают свои описания вселенной глубже в прошлое и в будущее.
Каким бы успешным ни был Lambda-CDM, у него все еще есть много изломов, которые нужно проработать. Космологи получают противоречивые результаты, когда пытаются изучить текущее расширение Вселенной, в зависимости от того, измеряют ли они его непосредственно в близлежащих галактиках или выводят его из CMB. Эта модель также ничего не говорит о составе темной материи или энергии.
Затем наступает беспокойная первая секунда существования, когда вселенная предположительно перешла от бесконечно малой пятнышки к релятивистски добродушному пузырю. «Инфляция» является популярной теорией, которая пытается справиться с этим периодом, объясняя, как короткий момент еще более быстрого расширения взорвал мельчайшие изначальные вариации в крупномасштабной неравномерности современных галактик, а также то, как входы Lambda-CDM получили свои значения ,
Никто не знает, как инфляция работала в деталях, или почему она остановилась там, где предположительно это произошло. Штейнхардт сказал, что инфляция должна была продолжаться во многих областях космоса, подразумевая, что наша вселенная - это всего лишь один кусочек «мультивселенной», содержащей каждую возможную физическую реальность - непроверяемая идея, которую многие экспериментаторы находят тревожной.
Чтобы добиться прогресса по таким вопросам, как эти, космологи обращаются к точным измерениям из космических телескопов, таких как космический телескоп Хаббла и предстоящий космический телескоп Джеймса Вебба, а также к экспериментам в новой области астрономии гравитационных волн, таким как Национальный научный фонд Лазерный интерферометр Гравитационно-волновая обсерватория. Космологи также присоединяются к физикам частиц и астрофизикам в междисциплинарной гонке для обнаружения частиц темной материи.
Подобно тому, как космология не может начаться до тех пор, пока не повзрослеют другие отрасли физики, она не сможет завершить раскрытие истории вселенной, пока другие области не станут более полными. "Чтобы разобраться в истории, вы должны проработать практически все законы физики на всех энергетических масштабах и при любых условиях », - сказал Стейнхардт. «И изменение любого из них может радикально изменить космологическую историю».
Фаррар сказала, что она не знает, произойдет ли это, но удивляется тому, что люди осознали сложности вселенной так же, как и они. «Удивительно, что человеческий мозг развился до такой степени, что на эти вопросы, по-видимому, можно ответить», - сказала она. "Некоторые из них по крайней мере."
дополнительный Ресурсы:
