В продължение на хиляди години хората наблюдават звездите и се чудят как е възникнала Вселената. Но едва през годините на Първата световна война изследователите разработиха първите инструменти за наблюдение и теоретични инструменти, за да превърнат тези големи въпроси в прецизна област на изследване: космология.
„Мисля за космологията като за един от най-старите предмети от човешки интерес, но за една от най-новите науки“, казва Пол Щайнхард, космолог от Принстънския университет, който изучава дали времето има начало.
Накратко, космологията изучава Космоса като едно цяло, вместо да анализира отделно звездите, черните дупки и галактиките, които го запълват. Това поле задава големи въпроси: Откъде се е появила Вселената? Защо има звезди, галактики и галактически клъстери? Какво ще се случи след това? "Космологията се опитва да направи много мащабна картина на природата на Вселената", казва Гленис Фарар, физик на частиците в Нюйоркския университет.
Тъй като тази дисциплина се захваща с много явления - от частици във вакуума до тъканта на пространството и времето, космологията привлича силно в много области, включително астрономия, астрофизика и все по-често физика на частиците.
„Космологията има части от нея, които са изцяло във физиката, части, които са изцяло в астрофизиката, и части, които вървят напред-назад“, каза Щайнхард. "Това е част от вълнението."
История на историята на Вселената
Интердисциплинарният характер на полето помага да се обясни сравнително късният му старт. Нашата съвременна картина на Вселената започва да се събира едва през 20-те години на миналия век, малко след като Алберт Айнщайн разработва теорията за общата относителност, математическа рамка, която описва гравитацията като следствие от огъването на пространството и времето.
"Преди да разберете природата на гравитацията, всъщност не можете да направите теория защо нещата са такива, каквито са", каза Щайнхард. Други сили имат по-голям ефект върху частиците, но гравитацията е основният играч на арената на планети, звезди и галактики. Описанието на гравитацията на Исак Нютон често работи и в тази област, но третира пространството (и времето) като твърд и непроменен фон, на който да се измерват събитията. Работата на Айнщайн показва, че самото пространство може да се разширява и свива, прехвърляйки Вселената от етап към актьор и го вкарвайки в битката като динамичен обект за изучаване.
В средата на 20-те години на миналия век астрономът Едвин Хъбъл направи наблюдения от наскоро построения 100-инчов (254 сантиметров) телескоп Хукър в обсерваторията Маунт Уилсън в Калифорния. Той се опитваше да уреди дебат за местоположението на определени облаци в космоса, които астрономите можеха да видят. Хъбъл доказа, че тези „мъглявини“ не са малки, местни облаци, а вместо това са огромни, далечни звездни групи, подобни на нашия Млечен път - „островни вселени“ на езика на онова време. Днес ние ги наричаме галактики и знаем, че те номерират в трилионите.
Най-големите катаклизми в космическата перспектива тепърва предстоят. Работата на Хъбъл в края на 20-те години предполага, че галактиките във всяка посока се ускоряват от нас, което предизвиква десетилетия на по-нататъшен дебат. Евентуалните измервания на космическия микровълнов фон (CMB) - светлина, останала от ранните години на Вселената и тъй като се простира в микровълни - през 60-те години на миналия век доказаха, че реалността съвпада с една от възможностите, предложени от общата относителност: Започвайки от малка и гореща, Вселената има стават все по-големи и студени оттогава. Концепцията стана известна като теорията за Големия взрив и разтърси космолозите, защото загатваше, че дори Вселената може да има начало и край.
Но поне тези астрономи можеха да видят движението на галактиките в своите телескопи. Според Фарар един от най-сеизмичните промени в космологията е идеята, че по-голямата част от нещата там са направени от нещо друго, нещо напълно невидимо. Материалът, който можем да видим, е малко повече от грешка в космическото закръгляне - само около 5% от всичко във Вселената.
Първият обитател на останалите 95% от Вселената, наречен „тъмен сектор“, вдигна глава през 70-те години. Тогава астрономът Вера Рубин разбра, че галактиките се въртят толкова бързо, че трябва да се разделят. Фарар каза повече от трудно забележима материя, че пазещите галактики заедно трябва да са нещо напълно непознато за физиците, нещо, което - с изключение на гравитационното си дърпане - напълно игнорира обикновената материя и светлина. По-късното картографиране разкри, че галактиките, които виждаме, са просто ядра в центъра на колосалните сфери на „тъмната материя“. Нишките на видимата материя, които се простират по вселената, висят върху тъмна рамка, която превишава видимите частици пет до едно.
След това космическият телескоп Хъбъл разкри признаци на неочаквано разнообразие от енергия - за която сега космолозите казват, че остава 70% от Вселената, след като отчита тъмната материя (25%) и видимата материя (5%) - през 90-те години, когато тя наблюдаваше разширяването на Вселената като ускоряващ се като бягащ влак. "Тъмната енергия", вероятно вид енергия, присъща на самото пространство, раздвижва Вселената по-бързо, отколкото гравитацията може да събере Космоса заедно. След трилион години всички останали астрономи по Млечния път ще се окажат в истинска островна вселена, обгърната от мрак.
„Ние сме в преходна точка в историята на Вселената, откъдето тя е доминирана от материята до мястото, където тя е доминирана от нова форма на енергия“, каза Щайнхард. "Тъмната материя определи нашето минало. Тъмната енергия ще определи бъдещето ни."
Съвременна и бъдеща космология
Сегашната космология пакетира тези забележителни открития в своето първостепенно постижение - моделът Ламбда-CDM. Понякога наричан стандартен модел на космологията, този пакет от уравнения описва Вселената от около първата си секунда нататък. Моделът поема определено количество тъмна енергия (лямбда, за нейното представяне в общата относителност) и студена тъмна материя (CDM) и прави подобни предположения за количеството на видимата материя, формата на Вселената и други характеристики, всички определени от експерименти и наблюдения.
Играйте този филм за бебето във Вселената напред 13,8 милиарда години и космолозите получават моментна снимка, която "статистически има всичко, което можем да измерим до определен момент", каза Щайнхард. Този модел представлява целта, която трябва да победим, когато космолозите прокарват описанията си на Вселената по-дълбоко в миналото и в бъдещето.
Колкото и успешен да беше Lambda-CDM, той все още има много изблици, които се нуждаят от разработване. Космолозите получават противоречиви резултати, когато се опитват да изучат текущото разширение на Вселената, в зависимост от това дали го измерват директно в близките галактики или го извеждат от CMB. Този модел също не казва нищо за грима на тъмната материя или енергия.
Тогава има онази неспокойна първа секунда от съществуването, когато Вселената по презумпция премина от безкрайно малко петно към релативистично добре поддържан балон. "Инфлацията" е популярна теория, която се опитва да се справи с този период, обяснявайки как кратък миг на още по-бързо разширяване взриви незначителни първични изменения в мащабната неравномерност на днешните галактики, както и как входовете на Lambda-CDM получиха своите стойности ,
Никой обаче не знае как инфлацията е работила подробно, обаче, или защо е спряла там, където се предполага. Щайнхард каза, че инфлацията би трябвало да продължи в много региони на космоса, намеквайки, че нашата Вселена е само един отрязък от „мултивселен”, съдържащ всяка възможна физическа реалност - неустойчива идея, която много експерименталисти намират за безпокойство.
За да постигнат напредък по въпроси като тези, космолозите търсят прецизни измервания от космически телескопи като космическия телескоп Хъбъл и предстоящия космически телескоп Джеймс Уеб, както и експерименти в нововъзникващото поле на астрономията на гравитационните вълни, като например Националната научна фондация Лазерна интерферометрова гравитационно-вълнова обсерватория. Космолозите също се присъединяват към физиците на частици и астрофизиците в интердисциплинарна раса за откриване на частици от тъмна материя.
Точно както космологията не може да започне, докато не отраснат други клонове на физиката, тя няма да може да приключи с разкриването на историята на Вселената, докато други области не бъдат по-пълни. "За да разберете историята, трябва да разработите по същество всички законите на физиката на всички енергийни мащаби и при всякакви условия “, каза Щайнхард. "И промяна в който и да е от тях може коренно да промени космологичната история."
Фарар каза, че не знае дали това ще се случи, но се чуди, че хората са схванали сложността на Вселената толкова, колкото имат. "Удивително е, че човешкият мозък се е развил до степен, че на тези въпроси очевидно може да се отговори", каза тя. "Някои от тях поне."
Допълнителен ресурси:
