Kosmologie verstehen

Die Kosmologie kann eine schwierige Disziplin sein, da sie ein Studiengebiet innerhalb der Physik ist, das viele andere Bereiche betrifft. (Obwohl in Wahrheit heutzutage fast alle Fachgebiete der Physik in vielen anderen Bereichen zu finden sind.) Was ist Kosmologie? Was tun die Leute, die es studieren (Kosmologen genannt)? Welche Beweise gibt es, um ihre Arbeit zu unterstützen?

Kosmologie auf einen Blick

Kosmologie ist die Disziplin der Wissenschaft, die den Ursprung und das schließliche Schicksal des Universums untersucht.

Es ist am engsten mit den spezifischen Gebieten der Astronomie und Astrophysik verbunden, obwohl das letzte Jahrhundert auch die Kosmologie eng mit wichtigen Erkenntnissen der Teilchenphysik in Einklang gebracht hat.

Mit anderen Worten, wir erreichen eine faszinierende Erkenntnis:

Unser Verständnis der modernen Kosmologie ergibt sich aus der Verbindung des Verhaltens der größten Strukturen unseres Universums (Planeten, Sterne, Galaxien und Galaxienhaufen) mit denen der kleinsten Strukturen unseres Universums (fundamentale Teilchen).

Geschichte der Kosmologie

Das Studium der Kosmologie ist wahrscheinlich eine der ältesten Formen der spekulativen Erforschung der Natur, und es begann an einem Punkt in der Geschichte, als ein uralter Mensch in Richtung Himmel schaute und Fragen wie die folgenden stellte:

Du hast die Idee.

Die Alten hatten recht gute Versuche, diese zu erklären.

Das wichtigste in der westlichen wissenschaftlichen Tradition ist die Physik der alten Griechen , die ein umfassendes geozentrisches Modell des Universums entwickelt haben, das im Laufe der Jahrhunderte bis zur Zeit des Ptolemäus verfeinert wurde. Zu diesem Zeitpunkt entwickelte sich die Kosmologie tatsächlich über mehrere Jahrhunderte nicht weiter , außer in einigen Details über die Geschwindigkeiten der verschiedenen Komponenten des Systems.

Der nächste große Fortschritt in diesem Bereich kam von Nikolaus Kopernikus im Jahr 1543, als er sein Astronomiebuch auf seinem Sterbebett veröffentlichte (in Erwartung der Kontroverse mit der katholischen Kirche) und die Beweise für sein heliozentrisches Modell des Sonnensystems darlegte. Die Schlüsseleinsicht, die diese Transformation des Denkens motiviert hat, war die Vorstellung, dass es keinen wirklichen Grund gab anzunehmen, dass die Erde eine fundamental privilegierte Position innerhalb des physischen Kosmos hat. Diese Änderung der Annahmen ist als das kopernikanische Prinzip bekannt . Kopernikus 'heliozentrisches Modell wurde noch populärer und akzeptierter, basierend auf den Arbeiten von Tycho Brahe, Galileo Galilei und Johannes Kepler , die wesentliche experimentelle Beweise zur Unterstützung des kopernikanischen heliozentrischen Modells sammelten.

Es war Sir Isaac Newton, der alle diese Entdeckungen zusammenbringen konnte, um die Planetenbewegungen tatsächlich zu erklären. Er hatte die Intuition und Einsicht, um zu erkennen, dass die Bewegung von Objekten, die auf die Erde fallen, ähnlich der Bewegung von Objekten ist, die die Erde umkreisen (im Wesentlichen fallen diese Objekte kontinuierlich um die Erde herum ). Da diese Bewegung ähnlich war, erkannte er, dass sie wahrscheinlich von der gleichen Kraft verursacht wurde, die er Schwerkraft nannte.

Durch sorgfältige Beobachtung und die Entwicklung einer neuen Mathematik namens Kalkül und seiner drei Bewegungsgesetze konnte Newton Gleichungen erstellen, die diese Bewegung in einer Vielzahl von Situationen beschreiben.

Obwohl das Gravitationsgesetz von Newton die Bewegung des Himmels voraussagte, gab es ein Problem ... es war nicht ganz klar, wie es funktionierte. Die Theorie schlug vor, dass Objekte mit Masse sich über den Raum anziehen, aber Newton war nicht in der Lage, eine wissenschaftliche Erklärung für den Mechanismus zu entwickeln, der die Gravitation verwendet, um dies zu erreichen. Um das Unerklärliche zu erklären, verließ sich Newton auf einen generischen Appell an Gott - im Prinzip verhalten sich Objekte auf diese Weise als Reaktion auf Gottes vollkommene Präsenz im Universum. Um eine physikalische Erklärung zu erhalten, würde man über zwei Jahrhunderte warten, bis ein Genie eintreffen würde, dessen Intellekt sogar das von Newton übertreffen könnte.

Moderne Kosmologie: Allgemeine Relativität und Urknall

Newtons Kosmologie beherrschte die Wissenschaft bis Anfang des 20. Jahrhunderts, als Albert Einstein seine Allgemeine Relativitätstheorie entwickelte , die das wissenschaftliche Verständnis der Schwerkraft neu definierte. In Einsteins neuer Formulierung wurde die Schwerkraft durch die Biegung der 4-dimensionalen Raumzeit als Antwort auf die Anwesenheit eines massiven Objekts, wie eines Planeten, eines Sterns oder sogar einer Galaxie, verursacht.

Eine der interessanten Implikationen dieser neuen Formulierung war, dass die Raumzeit selbst nicht im Gleichgewicht war. In relativ kurzer Zeit erkannten die Wissenschaftler, dass die allgemeine Relativitätstheorie vorhersagte, dass sich die Raumzeit entweder ausdehnen oder zusammenziehen würde. Glauben Sie, Einstein glaubte, dass das Universum tatsächlich ewig war, führte er eine kosmologische Konstante in die Theorie ein, die einen Druck lieferte, der der Expansion oder Kontraktion entgegenwirkte. Als der Astronom Edwin Hubble schließlich entdeckte, dass sich das Universum tatsächlich ausdehnte, erkannte Einstein, dass er einen Fehler gemacht und die kosmologische Konstante aus der Theorie entfernt hatte.

Wenn das Universum expandierte, dann ist die natürliche Schlussfolgerung, dass wenn Sie das Universum zurückspulen würden, würden Sie sehen, dass es in einem kleinen, dichten Klumpen von Materie begonnen hat. Diese Theorie, wie das Universum begann, wurde die Urknalltheorie genannt. Dies war eine umstrittene Theorie in den mittleren Jahrzehnten des zwanzigsten Jahrhunderts, als es um die Dominanz gegen Fred Hoyles Steady-State-Theorie kämpfte . Die Entdeckung der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung im Jahr 1965 bestätigte jedoch eine Vorhersage, die in Bezug auf den Urknall gemacht worden war, so dass sie unter Physikern weithin akzeptiert wurde.

Obwohl er sich in der Steady-State-Theorie als falsch erwies, wird Hoyle mit den wichtigsten Entwicklungen in der Theorie der stellaren Nukleosynthese zugeschrieben , die besagt, dass Wasserstoff und andere leichte Atome in schwerere Atome in den Kerntiegeln, den Sternen, umgewandelt werden in das Universum nach dem Tod des Sterns. Diese schwereren Atome bilden dann Wasser, Planeten und schließlich das Leben auf der Erde, einschließlich der Menschen! So sind wir in den Worten vieler bekümmerter Kosmologen alle aus Sternenstaub geformt.

Wie auch immer, zurück zur Evolution des Universums. Als die Wissenschaftler mehr Informationen über das Universum erhielten und die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung sorgfältiger maßen, gab es ein Problem. Da detaillierte Messungen von astronomischen Daten durchgeführt wurden, wurde klar, dass Konzepte aus der Quantenphysik eine stärkere Rolle beim Verständnis der frühen Phasen und der Entwicklung des Universums spielen sollten. Dieses Feld der theoretischen Kosmologie, obwohl immer noch hoch spekulativ, ist ziemlich fruchtbar geworden und wird manchmal als Quantenkosmologie bezeichnet.

Die Quantenphysik zeigte ein Universum, das in Energie und Materie ziemlich einheitlich war, aber nicht vollständig einheitlich war. Allerdings hätten sich die Schwankungen im frühen Universum in den Milliarden Jahren, in denen das Universum expandierte, stark ausgeweitet ... und die Fluktuationen waren viel geringer, als man erwarten würde. Kosmologen mussten also einen Weg finden, um ein uneinheitliches frühes Universum zu erklären, das jedoch nur extrem kleine Schwankungen aufwies.

Alan Guth, ein Teilchenphysiker, der dieses Problem 1980 mit der Entwicklung der Inflationstheorie angegangen ist . Die Fluktuationen im frühen Universum waren kleine Quantenfluktuationen, die sich jedoch im frühen Universum aufgrund einer ultraschnellen Expansionszeit schnell ausweiteten. Astronomische Beobachtungen seit 1980 haben die Vorhersagen der Inflationstheorie unterstützt, und dies ist nun die übereinstimmende Ansicht unter den meisten Kosmologen.

Mysterien der modernen Kosmologie

Obwohl die Kosmologie im Laufe des letzten Jahrhunderts stark fortgeschritten ist, gibt es immer noch einige offene Mysterien. Tatsächlich sind zwei der zentralen Geheimnisse der modernen Physik die dominierenden Probleme in der Kosmologie und Astrophysik:

Es gibt einige andere Vorschläge, um diese ungewöhnlichen Ergebnisse zu erklären, wie die modifizierte Newtonsche Dynamik (MOND) und die Lichtgeschwindigkeits-Kosmologie, aber diese Alternativen werden als Randtheorien betrachtet, die von vielen Physikern auf diesem Gebiet nicht akzeptiert werden.

Ursprünge des Universums

Es ist erwähnenswert, dass die Urknalltheorie tatsächlich beschreibt, wie sich das Universum seit seiner Entstehung entwickelt hat, aber keine direkten Informationen über die tatsächlichen Ursprünge des Universums geben kann.

Das soll nicht heißen, dass die Physik uns nichts über die Ursprünge des Universums erzählen kann. Wenn Physiker die kleinste Raumskala erforschen, finden sie heraus, dass die Quantenphysik zur Erzeugung virtueller Teilchen führt, wie der Casimir-Effekt zeigt . Tatsächlich sagt die Inflationstheorie voraus, dass sich die Raumzeit ausweiten würde, wenn keine Materie oder Energie vorhanden wäre. Auf den Nenner gebracht, gibt dies daher den Wissenschaftlern eine vernünftige Erklärung dafür, wie das Universum ursprünglich entstehen könnte. Wenn es ein wahres "Nichts" gäbe - egal, keine Energie, keine Raumzeit - dann wäre nichts instabil und würde Materie, Energie und eine sich ausdehnende Raumzeit erzeugen. Dies ist die zentrale These von Büchern wie The Grand Design und A Universe From Nothing , die postulieren, dass das Universum ohne Bezug auf eine übernatürliche Schöpfergottheit erklärt werden kann.

Die Rolle der Menschheit in der Kosmologie

Es wäre schwer, die kosmologische, philosophische und vielleicht sogar theologische Bedeutung der Erkenntnis, dass die Erde nicht das Zentrum des Kosmos war, zu stark zu betonen. In diesem Sinne ist die Kosmologie eines der frühesten Gebiete, das Beweise erbrachte, die im Konflikt mit der traditionellen religiösen Weltanschauung standen. Tatsächlich scheint jeder Fortschritt in der Kosmologie angesichts der am meisten geschätzten Annahmen, die wir über die besondere Menschlichkeit als Spezies machen wollen, zu fliegen ... zumindest in Bezug auf die kosmologische Geschichte. In dieser Passage aus The Grand Design von Stephen Hawking und Leonard Mlodinow wird eloquent die Transformation des Denkens aus der Kosmologie skizziert:

Das heliozentrische Modell des Sonnensystems von Nikolaus Kopernikus wird als die erste überzeugende wissenschaftliche Demonstration anerkannt, dass wir Menschen nicht der Mittelpunkt des Kosmos sind .... Wir wissen nun, dass das Ergebnis von Kopernikus nur eines aus einer Reihe von verschachtelten Umstürzen ist, die lange stürzen -hielten Annahmen über den besonderen Status der Menschheit: Wir befinden uns nicht im Zentrum des Sonnensystems, wir befinden uns nicht im Zentrum der Galaxie, wir befinden uns nicht im Zentrum des Universums, wir sind nicht gerade hergestellt aus den dunklen Zutaten, die die überwiegende Mehrheit der Masse des Universums ausmachen. Eine solche kosmische Herabstufung ... ist ein Beispiel dafür, was Wissenschaftler heute als das kopernikanische Prinzip bezeichnen: Alles, was wir wissen, deutet im großen Ganzen darauf hin, dass Menschen keine privilegierte Position einnehmen.