Kosmologie en de impact ervan begrijpen

Kosmologie kan een moeilijke discipline zijn om grip op te krijgen, omdat het een vakgebied binnen de fysica is dat veel andere gebieden raakt. (Hoewel de waarheid is dat tegenwoordig vrijwel alle vakgebieden binnen de natuurkunde veel andere gebieden raken.) Wat is kosmologie? Wat doen de mensen die het bestuderen (kosmologen genoemd) eigenlijk? Welk bewijs is er om hun werk te ondersteunen?

Kosmologie in één oogopslag

Kosmologie is de wetenschapsdiscipline die de oorsprong en het uiteindelijke lot van het universum bestudeert. Het is het nauwst verwant met de specifieke gebieden van astronomie en astrofysica, hoewel de vorige eeuw de kosmologie ook nauw heeft afgestemd op belangrijke inzichten uit de deeltjesfysica.

Met andere woorden, we bereiken een fascinerende realisatie:

Ons begrip van de moderne kosmologie komt van het verbinden van het gedrag van de De grootste structuren in ons universum (planeten, sterren, sterrenstelsels en sterrenstelsels) samen met die van de kleinste structuren in ons universum (fundamentele deeltjes).

Geschiedenis van de kosmologie

De studie van de kosmologie is waarschijnlijk een van de oudste vormen van speculatief onderzoek naar de natuur, en het begon op een bepaald punt in de geschiedenis toen een oude mens naar de hemel keek en vragen stelde zoals:

• Hoe zijn we hier gekomen??
• Wat gebeurt er aan de nachtelijke hemel?
• Zijn we alleen in het universum?
• Wat zijn die glimmende dingen in de lucht?

Je snapt het wel.

De ouden kwamen met een aantal behoorlijk goede pogingen om deze uit te leggen. De belangrijkste onder deze in de westerse wetenschappelijke traditie is de fysica van de oude Grieken, die een uitgebreid geocentrisch model van het universum ontwikkelden dat door de eeuwen heen tot in de tijd van Ptolemae werd verfijnd, op welk punt de kosmologie zich echt pas enkele eeuwen verder ontwikkelde , behalve in enkele details over de snelheden van de verschillende componenten van het systeem.

De volgende belangrijke vooruitgang op dit gebied kwam van Nicolaus Copernicus in 1543, toen hij zijn astronomieboek op zijn sterfbed publiceerde (in afwachting dat het controverse met de katholieke kerk zou veroorzaken), waarin het bewijsmateriaal voor zijn heliocentrische model van het zonnestelsel werd geschetst. Het belangrijkste inzicht dat deze transformatie in het denken motiveerde, was het idee dat er geen echte reden was om aan te nemen dat de aarde een fundamenteel bevoorrechte positie in de fysieke kosmos heeft. Deze verandering in veronderstellingen staat bekend als het Copernicaanse principe. Het heliocentrische model van Copernicus werd nog populairder en geaccepteerd op basis van het werk van Tycho Brahe, Galileo Galilei en Johannes Kepler, die substantieel experimenteel bewijs verzamelden ter ondersteuning van het Copernicaanse heliocentrische model.

Het was echter Sir Isaac Newton die al deze ontdekkingen bij elkaar kon brengen om de planetaire bewegingen daadwerkelijk uit te leggen. Hij had de intuïtie en het inzicht om zich te realiseren dat de beweging van objecten die op de aarde vielen vergelijkbaar was met de beweging van objecten die rond de aarde cirkelen (in wezen vallen deze objecten voortdurend in de omgeving van de aarde). Omdat deze beweging vergelijkbaar was, besefte hij dat het waarschijnlijk werd veroorzaakt door dezelfde kracht, die hij zwaartekracht noemde. Door zorgvuldige observatie en de ontwikkeling van nieuwe wiskunde genaamd calculus en zijn drie bewegingswetten, was Newton in staat vergelijkingen te maken die deze beweging in verschillende situaties beschreven.

Hoewel de zwaartekrachtwet van Newton werkte om de beweging van de hemel te voorspellen, was er een probleem ... het was niet precies duidelijk hoe het werkte. De theorie stelde dat objecten met massa elkaar door de ruimte aantrekken, maar Newton was niet in staat om een ​​wetenschappelijke verklaring te ontwikkelen voor het mechanisme dat zwaartekracht gebruikte om dit te bereiken. Om het onverklaarbare te verklaren, vertrouwde Newton op een generiek beroep op God, in wezen gedragen objecten zich op deze manier in reactie op Gods perfecte aanwezigheid in het universum. Een fysieke verklaring krijgen zou meer dan twee eeuwen wachten, tot de komst van een genie wiens intellect zelfs dat van Newton kon verduisteren.

Algemene relativiteitstheorie en de oerknal

Newtons kosmologie domineerde de wetenschap tot het begin van de twintigste eeuw, toen Albert Einstein zijn algemene relativiteitstheorie ontwikkelde, die het wetenschappelijke begrip van zwaartekracht herdefinieerde. In de nieuwe formule van Einstein werd de zwaartekracht veroorzaakt door de buiging van 4-dimensionale ruimtetijd in reactie op de aanwezigheid van een enorm object, zoals een planeet, een ster of zelfs een sterrenstelsel.

Een van de interessante implicaties van deze nieuwe formulering was dat ruimtetijd zelf niet in evenwicht was. In vrij korte volgorde beseften wetenschappers dat de algemene relativiteitstheorie voorspelde dat de ruimtetijd zou uitbreiden of inkrimpen. Geloof dat Einstein geloofde dat het universum eigenlijk eeuwig was, hij introduceerde een kosmologische constante in de theorie, die een druk bood die de expansie of contractie tegenging. Toen astronoom Edwin Hubble uiteindelijk ontdekte dat het universum zich in feite uitbreidde, besefte Einstein dat hij een fout had gemaakt en de kosmologische constante uit de theorie had verwijderd.

Als het universum zich uitbreidde, dan is de natuurlijke conclusie dat als je het universum zou terugspoelen, je zou zien dat het in een kleine, dichte massa materie moet zijn begonnen. Deze theorie over hoe het universum begon, werd de oerknaltheorie genoemd. Dit was een controversiële theorie tot het midden van de twintigste eeuw, omdat het wedijverde om dominantie tegen Fred Hoyle's stabiele staatstheorie. De ontdekking van de kosmische microgolf-achtergrondstraling in 1965 bevestigde echter een voorspelling die was gedaan met betrekking tot de oerknal en werd daarom algemeen aanvaard door natuurkundigen.

Hoewel hij ongelijk kreeg over de steady-state-theorie, wordt Hoyle gecrediteerd met de belangrijkste ontwikkelingen in de theorie van stellaire nucleosynthese, wat de theorie is dat waterstof en andere lichte atomen worden omgezet in zwaardere atomen in de nucleaire smeltkroezen die sterren worden genoemd en uitspugen in het universum na de dood van de ster. Deze zwaardere atomen vormen zich vervolgens in water, planeten en uiteindelijk leven op aarde, inclusief mensen! Dus, in de woorden van veel kosmologen die met ontzag in de ban zijn, zijn we allemaal gevormd uit sterrenstof.