Po tisíce let lidé sledovali hvězdy a přemýšleli, jak vznikl vesmír. Ale až v letech první světové války vědci vyvinuli první observační nástroje a teoretické nástroje k transformaci těchto velkých otázek do přesného studijního oboru: kosmologie.
„Kosmologii považuji za jeden z nejstarších předmětů lidského zájmu, ale za jednu z nejnovějších věd,“ řekl Paul Steinhardt, kosmolog na Princetonské univerzitě, který studuje, zda má čas začátek.
Kosmologie ve zkratce studuje vesmír jako jednu entitu, spíše než samostatně analyzuje hvězdy, černé díry a galaxie, které ji vyplňují. Toto pole klade velké otázky: Odkud pocházel vesmír? Proč má hvězdy, galaxie a shluky galaxií? Co bude dál? „Kosmologie se pokouší vytvořit velmi rozsáhlý obrázek o povaze vesmíru,“ řekl Glennys Farrar, částicový fyzik na New York University.
Protože se tato disciplína potýká s mnoha jevy, od částic ve vakuu po strukturu prostoru a času, kosmologie těžce čerpá z mnoha oborů, včetně astronomie, astrofyziky a stále častěji fyziky částic.
"Kosmologie má její části, které jsou plně ve fyzice, části, které jsou plně v astrofyzice, a části, které jdou sem a tam," řekl Steinhardt. "To je část vzrušení."
Dějiny dějin vesmíru
Interdisciplinární povaha oboru pomáhá vysvětlit jeho poměrně pozdní začátek. Náš moderní obraz vesmíru se začal sdružovat až ve dvacátých letech, krátce poté, co Albert Einstein vyvinul teorii obecné relativity, matematický rámec, který popisuje gravitaci jako důsledek ohýbání prostoru a času.
„Než pochopíte podstatu gravitace, nemůžete opravdu udělat teorii, proč jsou věci takové, jaké jsou,“ řekl Steinhardt. Jiné síly mají větší vliv na částice, ale gravitace je hlavním hráčem v aréně planet, hvězd a galaxií. Isaac Newtonův popis gravitace často funguje také v této oblasti, ale zachází s prostorem (a časem) jako s pevným a neměnným pozadím, proti kterému se měří události. Einsteinova práce ukázala, že samotný prostor se mohl rozšířit a zkrátit, posunul vesmír z jeviště na herce a přivedl jej do boje jako dynamický objekt ke studiu.
V polovině 20. let provedl astronom Edwin Hubble pozorování z nedávno postaveného 100palcového (254 centimetrů) Hookerova dalekohledu na observatoři Mount Wilson v Kalifornii. Pokoušel se urovnat debatu o umístění určitých mraků v prostoru, které mohli astronomové vidět. Hubble dokázal, že tyto „mlhoviny“ nebyly malé místní mraky, ale místo toho to byly obrovské, vzdálené hvězdokupy podobné naší vlastní Mléčné dráze - „ostrovní vesmíry“ v parciální době. Dnes jim říkáme galaxie a víme, že se počítají v bilionech.
Největší otřesy v kosmické perspektivě teprve přijdou. Hubbleova práce koncem dvacátých let naznačila, že galaxie ve všech směrech se od nás odvíjejí a vyvolávají desítky let další debaty. Případná měření pozadí kosmického mikrovlnného záření (CMB) - světlo, které zbylo z raných let vesmíru a od té doby, co se rozprostíralo v mikrovlnných vlnách - v 60. letech prokázalo, že realita odpovídá jedné z možností navržených obecnou relativitou: vesmír začíná od té doby se zvětšoval a chladil. Koncept stal se známý jako teorie velkého třesku, a to rachotilo kosmology, protože to znamenalo, že i vesmír by mohl mít začátek a konec.
Ale alespoň tito astronomové viděli pohyb galaxií ve svých dalekohledech. Jedním z nejvíce seismických posunů v kosmologii, řekl Farrar, je myšlenka, že drtivá většina věcí tam je vyrobena z něčeho jiného, něco zcela neviditelného. Materiál, který vidíme, je o něco více než chyba kosmického zaokrouhlování - pouze asi 5% všeho ve vesmíru.
První obyvatelé dalších 95% vesmíru, kteří se nazývají „temným sektorem“, vychovávali v 70. letech hlavu. Tehdy si astronom Vera Rubin uvědomil, že galaxie kolují kolem tak rychle, že by se měly rozpadat. Farrar řekl, že hmota, která drží galaxie pohromadě, musí být fyzicky něco úplně neznámého, a to, co - s výjimkou gravitačního tahu - zcela ignoruje obyčejnou hmotu a světlo. Pozdější mapování odhalilo, že galaxie, které vidíme, jsou prostě jádra ve středu kolosálních sfér "temné hmoty". Vlákna viditelné hmoty, která se táhnou napříč vesmírem, visí na tmavém rámu, který převažuje nad viditelnými částicemi pět ku jedné.
Hubbleův kosmický dalekohled poté odkryl příznaky nečekané rozmanitosti energie - což kosmologové nyní říkají, že tvoří zbývajících 70% vesmíru po započítání temné hmoty (25%) a viditelné hmoty (5%) - v 90. letech, kdy nařídil expanzi vesmíru jako zrychlení jako utečený vlak. „Temná energie“, možná typ energie vlastní vesmíru, tlačí vesmír rychleji, než gravitace dokáže vesmír přitáhnout. Za bilion let se každý astronom, který zůstal v Mléčné dráze, ocitne v pravém ostrovním vesmíru, obklopeném temnotou.
"Jsme v přechodném bodě v historii vesmíru, odkud je ovládána hmotou, kde dominuje nová forma energie," řekl Steinhardt. "Temná hmota určila naši minulost. Temná energie určí naši budoucnost."
Moderní a budoucí kosmologie
Současné kosmologické balíčky tyto objevy objevují do svého vrcholného úspěchu, modelu Lambda-CDM. Někdy se nazývá standardní model kosmologie, tento svazek rovnic popisuje vesmír od jeho první sekundy kupředu. Model předpokládá určité množství temné energie (lambda, pro její reprezentaci v obecné relativitě) a studené temné hmoty (CDM) a dělá podobné odhady o množství viditelné hmoty, tvaru vesmíru a dalších charakteristikách, vše je určeno experimenty a pozorování.
Zahrajte si ten dětský vesmírný film vpřed o 13,8 miliard let a kosmologové získají snímek, který „statisticky má vše, co můžeme do určité míry měřit,“ řekl Steinhardt. Tento model představuje cíl, který je třeba porazit, protože kosmologové posouvají popis vesmíru hlouběji do minulosti a do budoucnosti.
Jak byl úspěšný jako Lambda-CDM, stále má spoustu uzlů, které je třeba vypracovat. Kosmologové získají protichůdné výsledky, když se pokoušejí studovat současnou expanzi vesmíru, v závislosti na tom, zda jej změřili přímo v blízkých galaxiích nebo z toho odvodili CMB. Tento model také neříká nic o složení temné hmoty nebo energie.
Pak je tu ta nepříjemná první vteřina existence, kdy se vesmír pravděpodobně přesunul z nekonečného bodu do relativisticky dobře vychované bubliny. „Inflace“ je populární teorie, která se snaží zvládnout toto období a vysvětluje, jak krátký okamžik ještě rychlejší expanze vyhodil do vzduchu nepatrné prvotní variace do rozsáhlých nerovností dnešních galaxií a také jak Lambda-CDM vstupy získaly své hodnoty .
Nikdo však neví, jak inflace fungovala podrobně, nebo proč se zastavila tam, kde to pravděpodobně bylo. Steinhardt uvedl, že inflace by měla pokračovat v mnoha regionech vesmíru, což znamená, že náš vesmír je jen jedním plátkem „multiverse“, který obsahuje každou možnou fyzickou realitu - nepopiratelnou myšlenku, kterou mnozí experimentátoři považují za znepokojující.
Aby se dosáhlo pokroku v otázkách, jako jsou tyto, hledají kosmologové přesná měření z kosmických dalekohledů, jako je Hubbleův kosmický dalekohled a nadcházející kosmický dalekohled James Webb, stejně jako experimenty v nově vznikající oblasti astronomie gravitačních vln, jako je například National Science Foundation's Gravitační vlnová observatoř s laserovým interferometrem. Kosmologové se také připojují k částicovým fyzikům a astrofyzikům v interdisciplinárním závodě k detekci částic temné hmoty.
Stejně jako kosmologie nemohla začít, dokud nedospěly jiné fyzikální obory, nebude možné dokončit odhalení historie vesmíru, dokud nebudou ostatní oblasti úplnější. “Chcete-li příběh vyrovnat, musíte vypracovat v podstatě všechny zákony fyziky na všech energetických stupních a za všech podmínek, “řekl Steinhardt. "A změna v kterémkoli z nich by mohla radikálně změnit kosmologický příběh."
Farrar řekla, že neví, jestli se to stane, ale diví se, že lidé pochopili složitost vesmíru stejně jako oni. „Je úžasné, že se lidský mozek vyvinul do té míry, že na tyto otázky lze zjevně odpovědět,“ řekla. "Aspoň některé."
Další zdroje:
