Тисячі років люди спостерігали за зірками і дивувались, як утворився Всесвіт. Але лише в роки Першої світової війни дослідники розробили перші спостережні інструменти та теоретичні інструменти для перетворення цих великих питань у точну сферу дослідження: космологію.
"Я вважаю космологію одним із найдавніших предметів, що цікавлять людини, але як однією з найновіших наук", - сказав Пол Штейнхардт, космолог з Принстонського університету, який вивчає, чи має час початок.
Космологія, у двох словах, вивчає космос як одне ціле, а не аналізує окремо зірки, чорні діри та галактики, які його заповнюють. Це поле задає великі запитання: звідки взявся Всесвіт? Чому в ній є зірки, галактики та скупчення галактик? Що буде далі? "Космологія намагається зробити дуже масштабну картину природи Всесвіту", - сказав Гленніс Фаррар, фізик частинок Нью-Йоркського університету.
Оскільки ця дисципліна схоплюється з багатьма явищами - від частинок у вакуумі до тканини простору та часу, космологія сильно притягується до багатьох областей, включаючи астрономію, астрофізику та, все частіше, фізику частинок.
"Космологія має її частини, які повністю знаходяться у фізиці, частини, які повністю знаходяться в астрофізиці, і частини, які йдуть вперед і назад", - сказав Штейнхардт. "Це частина хвилювання".
Історія історії Всесвіту
Міждисциплінарна природа поля допомагає пояснити порівняно пізній її початок. Наша сучасна картина Всесвіту почала складатись лише у 1920-х роках, незабаром після того, як Альберт Ейнштейн розробив теорію загальної відносності, математичну основу, яка описує гравітацію як наслідок згинання простору та часу.
"Перш ніж зрозуміти природу гравітації, ви не можете реально скласти теорію того, чому все є таким, яким вони є", - сказав Штейнхардт. Інші сили мають більший вплив на частинки, але гравітація є головним гравцем на арені планет, зірок і галактик. Опис гравітації Ісаака Ньютона часто працює і в цій царині, але він розглядає простір (і час) як жорсткий і незмінний фон, на якому можна вимірювати події. Робота Ейнштейна показала, що простір сам по собі може розширюватися і стискатися, переводячи Всесвіт зі сцени в актора і вводячи його в бій як динамічний об'єкт для вивчення.
У середині 1920-х років астроном Едвін Хаббл здійснив спостереження за нещодавно побудованим 100-дюймовим (254 сантиметровим) телескопом Хукера в обсерваторії Маунт-Вілсон в Каліфорнії. Він намагався врегулювати суперечки про розташування певних хмар у космосі, які астрономи могли бачити. Хаббл довів, що ці "туманності" не були маленькими, локальними хмарами, а натомість були величезними, далекими зоряними скупченнями, схожими на наш власний Чумацький Шлях - "острівні всесвіти" тогочасного мовлення. Сьогодні ми називаємо їх галактиками і знаємо, що вони нумеруються в трильйонах.
Найбільші потрясіння в космічній перспективі ще мали бути. Робота Хаббла наприкінці 1920-х років передбачає, що галактики в усіх напрямках віддаляються від нас, викликаючи десятиліття подальшої дискусії. Подальші вимірювання космічного мікрохвильового фону (CMB) - світла, що залишилося від ранніх років Всесвіту і відтоді тягнеться в мікрохвилі - у 1960-х роках довели, що реальність відповідає одній із можливостей, запропонованих загальною відносністю: починаючи з малого та гарячого, Всесвіт має з тих пір стає все більшим і холоднішим. Ця концепція стала відома як теорія великого вибуху, і вона гриміла космологів, оскільки передбачала, що навіть Всесвіт може мати початок і кінець.
Але принаймні ці астрономи могли бачити рух галактик у своїх телескопах. За словами Фаррара, один із найбільш сейсмічних зрушень космології - це думка, що переважна більшість речей там зроблена з чогось іншого, чогось зовсім непомітного. Матеріал, який ми можемо бачити, становить трохи більше, ніж космічна помилка округлення - лише близько 5% всього у Всесвіті.
Перший винайдений з інших 95% Всесвіту, що називається "темним сектором", підняв голову в 1970-х. Тоді астроном Віра Рубін зрозуміла, що галактики крутяться навколо так швидко, що їм слід розкрутитися. За словами Фаррара, більш ніж важко зрозуміла матерія, речі, що зберігають галактики разом, повинні були стати абсолютно невідомими фізикам, те, що - за винятком її гравітаційного потягу - повністю ігнорує звичайну матерію та світло. Пізніше картографування виявило, що галактики, які ми бачимо, є просто ядрами в центрі колосальних сфер «темної матерії». Нитки видимої речовини, що тягнуться по всесвіту, висять на темній рамці, яка переважає видимі частинки на п’ять на одну.
Космічний телескоп Хаббл тоді виявив ознаки несподіваної різноманітності енергії - про яку зараз говорять космологи, що залишається 70% Всесвіту після темної речовини (25%) і видимої речовини (5%) - у 90-х роках, коли вона розгорнуло розширення Всесвіту так само, як швидкість, як біг поїзд. "Темна енергія", можливо тип енергії, властивий самому космосу, відсуває Всесвіт один від одного швидше, ніж гравітація може звести космос разом. Через трильйон років будь-які астрономи, що залишилися в Чумацькому Шляху, опиняться у справжньому острівному Всесвіті, огорнутому темрявою.
"Ми перебуваємо в перехідній точці історії Всесвіту, звідки в ній переважає матерія, до якої в ній переважає нова форма енергії", - сказав Штейнхардт. "Темна матерія визначила наше минуле. Темна енергія визначить наше майбутнє".
Сучасна та майбутня космологія
Поточні космологічні пакети ці знакові відкриття стають його головним досягненням - моделлю Lambda-CDM. Іноді його називають стандартною моделлю космології, цей набір рівнянь описує Всесвіт приблизно від його першої секунди. Модель передбачає певну кількість темної енергії (лямбда, для її представлення в загальній відносності) і холодної темної речовини (CDM) і робить подібні здогадки щодо кількості видимої речовини, форми Всесвіту та інших характеристик, все це визначається експериментами та спостереження.
Проіграйте цей фільм про дитячу Всесвіт вперед 13,8 мільярдів років, і космологи отримують знімок, що "статистично є все, що ми можемо виміряти до певного моменту", сказав Штайнхардт. Ця модель представляє ціль, яку потрібно перемогти, коли космологи заштовхують свої описи Всесвіту все глибше в минуле і в майбутнє.
Настільки ж успішною, як і Lambda-CDM, вона все ще має багато перепонів, які потребують відпрацювання. Космологи отримують суперечливі результати, коли вони намагаються вивчити поточне розширення Всесвіту, залежно від того, вимірюють вони це безпосередньо в сусідніх галактиках чи виводять його із СМВ. Ця модель також нічого не говорить про макіяж темної речовини або енергії.
Тоді є ця клопітка перша секунда існування, коли Всесвіт, ймовірно, перейшов від нескінченно малої точки до релятивістично добре поводився міхура. "Інфляція" - популярна теорія, яка намагається впоратися з цим періодом, пояснюючи, як короткий момент ще швидшого розширення підірвав незначні первісні зміни в масштабній нерівності сучасних галактик, а також те, як входи Ламбда-CDM отримали свої значення .
Ніхто не знає, як інфляція працювала докладно, або чому вона зупинилася там, де, мабуть, це було. Штайнхардт сказав, що інфляція повинна тривати в багатьох регіонах космосу, маючи на увазі, що наш Всесвіт - це лише один шматочок "мультиварки", що містить кожну можливу фізичну реальність - непереборну думку, яку багато експерименталістів вважають занепокоєною.
Щоб досягти прогресу в таких питаннях, космологи розглядають точні вимірювання космічних телескопів, таких як космічний телескоп Хаббл і майбутній космічний телескоп Джеймса Вебба, а також експерименти в сформованій галузі гравітаційної хвильової астрономії, такі як Національний науковий фонд Обсерваторія гравітаційно-хвильового лазерного інтерферометра. Космологи також приєднуються до фізиків-частинок та астрофізиків у міждисциплінарній гонці для виявлення частинок темної речовини.
Так само, як космологія не могла початися, поки не дозріли інші галузі фізики, вона не зможе закінчити розкриття історії Всесвіту, поки інші області не будуть більш повними. "Щоб зрозуміти історію, вам доведеться розробити по суті всі закони фізики на всіх енергетичних масштабах і за будь-яких умов », - сказав Штайнхардт. "І зміна будь-якого з них може кардинально змінити космологічну історію".
Фаррар сказала, що не знає, чи це станеться, але дивується, що люди зрозуміли, як у них є, складнощі всесвіту. "Дивно, що людський мозок еволюціонував до того, що на ці питання, мабуть, можна відповісти", - сказала вона. "Деякі з них принаймні".
Додатковий ресурси:
