Dažādi

Ko mēs patiešām zinām par Visumu?

Ko mēs patiešām zinām par Visumu?

No gandrīz jebkura viedokļa esamība ir diezgan bailīga un dīvaina. Bet, nonākot pie visa pamatfizikas, tas kļūst vēl dīvaināks! Kaut arī daudzi cilvēki var domāt, ka zinātnes jomā viss ir skaidri un kārtīgi. Bet vai tas notiek tā, kā lietas patiešām darbojas?

Visu gadu tūkstošu laikā zinātnieki un filozofi bezgalīgi strīdējās par to, vai dzīve un kosmoss ir sakārtoti vai haotiski. Zinātnēm nav bijusi imunitāte pret šīm debatēm, un daudzus nozīmīgus atklājumus ir izmantojusi vai nu viena, vai otra domu skola.

Uzzinot par planētu kustībām, gravitāciju, atomu teoriju, relativitāti, kvantu mehāniku un Visuma plaša mēroga struktūru, dažreiz ir izmantots svars gan kārtības, gan haosa idejām.

Pašlaik šajā jautājumā ir daudz neskaidrību, un nākotnes atklājumi var palīdzēt to atrisināt. Bet tikmēr ir labi novērtēt to, ko esam iemācījušies un ko tas var mums pastāstīt par dzīvi, kā mēs to zinām.

Kas ir Visums?

Vārds “Visums” cēlies no latīņu valodas “Universum”, kuru romiešu autori izmantoja, lai apzīmētu Kosmosu, kādu viņi tos pazīst. Tas sastāvēja no Zemes un visas dzīvības, kā arī no Mēness, Saules, planētām, par kurām viņi zināja (Merkurs, Venēra, Marss, Jupiters, Saturns) un zvaigznēm.

Savukārt termins “kosmoss” ir atvasināts no grieķu vārda kosmos, kas nozīmē "kārtība" vai "pasaule". Citi vārdi, ko parasti lieto, lai definētu visu zināmo esamību, ir “Daba” (no ģermāņu vārda natur) un angļu valodas vārds “everything” (pašsaprotams).

Mūsdienās zinātnieki vārdu Visums lieto, lai apzīmētu visu esošo matēriju un telpu. Tas ietver Saules sistēmu, Piena ceļu, visas zināmās galaktikas un virsbūves. Runājot par mūsdienu zinātni un astrofiziku, tas ietver arī visu laiku, telpu, matēriju, enerģiju un fundamentālos spēkus, kas tos saista.

Savukārt kosmoloģiju izmanto, lai aprakstītu Visuma (vai Kosmosa) un to saistošo spēku izpēti. Pateicoties tūkstošiem gadu ilgām stipendijām, tas, ko mēs zinām par fizisko Visumu, ir pieaudzis ar lēcieniem. Un tomēr joprojām ir tik daudz, ka mēs to nesaprotam.

Lai saprastu, kur mēs šodien atrodamies, mums vispirms ir jāatskatās ...

Kosmoloģijas vēsture

Cilvēki ir pētījuši eksistences būtību gandrīz kopš tā laika, kad viņi ir spējuši staigāt taisni un runāt. Tomēr lielākā daļa no tā, ko mēs zinām par kosmosa izpēti, attiecas tikai uz rakstisko pierakstu esamību.

Par laimi, daudzi no šiem pierakstiem nāk no mutvārdu tradīcijām, kas bijušas pirms rakstīšanas, tāpēc pastāv vispārējs priekšstats par to, ko mūsu senči uzskatīja. Tas, ko mēs zinām, norāda, ka agrākajiem Visuma radīšanas stāstiem bija raksturīgs simbolisks un metaforisks raksturs.

Cik mēs varam pateikt, katrai pastāvošajai kultūrai ir bijusi sava radīšanas stāsta versija. Daudzos laiki un visa dzīve sākās ar vienu notikumu, kur Dievs vai dievi bija atbildīgi par pasaules, debesu un visa starpā radīto. Lielākā daļa radīšanas stāstu vai nu ietvēra, vai arī beidzās ar cilvēces dzimšanu.

Arheoloģiskie pierādījumi liecina, ka jau 8000. gadā pirms mūsu ēras cilvēki izsekoja debesu notikumus, piemēram, Mēness kustību, lai izveidotu kalendārus. Līdz 2. gadu tūkstotim pirms mūsu ēras astronomija sāka parādīties kā izpētes joma.

Daži senākie debesu novērojumi ir attiecināmi uz senajiem babiloniešiem. Tie turpinātu informēt Tuvo Austrumu un Vidusjūras reģiona kultūru kosmoloģiskās un astroloģiskās tradīcijas nākamajiem tūkstošiem gadu.

Jēdziens par ierobežotu laiku dažreiz tiek meklēts šajā periodā un, iespējams, uz Zorastrijas reliģiju. Tā pamatā ir pārliecība, ka Visums ir izveidots, pārstāv dievišķā plāna izvēršanos un tam ir beigas.

Vēlākās doktrīnas atbalstīja to, ka laiks sākās ar radīšanu jeb sevis radīšanu, un beigsies ar kārtības triumfu pār haosu un Tiesas dienas versiju, kurā visa radība tiks apvienota ar Radītāju. Šie jēdzieni, visticamāk, tika nodoti jūdaismam aptuveni 6. gadsimtā pirms mūsu ēras, kad persieši iekaroja Babilonu.

Ideja par laiku kā lineāru progresu turpinātu informēt rietumu kosmoloģiju tūkstošiem gadu, un tā pastāv arī šodien (piemēram, ar teorijām "Lielais sprādziens" un "Laika bulta").

Laika posmā no 8. gadsimta pirms mūsu ēras līdz 6. gadsimtam pēc mūsu ēras (periodu bieži dēvē par "klasisko senatni") koncepcija, ka Visumu pārvalda fiziskie likumi, sāka iegūt lielāku vilces spēku. Šajā laikā gan Indijā, gan Grieķijā zinātnieki sāka piedāvāt dabas parādību skaidrojumus, kas uzsvēra cēloni un sekas.

Atoma dzimšana

Līdz 5. gadsimtam pirms mūsu ēras grieķu filozofs Empedokls izvirzīja teoriju, ka Visumu veido četri zemes, gaisa, ūdens un uguns elementi. Apmēram tajā pašā laikā Ķīnā parādījās līdzīga sistēma, kas sastāvēja no pieciem zemes, ūdens, uguns, koka un metāla elementiem.

Šī ideja kļūs ietekmīga, taču drīz tai pretī stāsies grieķu filozofs Leikips, kurš teorētiski pamatoja domu, ka Visums sastāv no nedalāmām daļiņām, kas pazīstamas kā "atomos" (grieķu valodā - "negriežams").

Šo jēdzienu popularizēs viņa skolnieks Demokrits (460. – 370. G. P.m.ē.), kurš apgalvoja, ka atomi ir neiznīcināmi, mūžīgi un nosaka visu matēriju īpašības.

Grieķu filozofs Epikurs (341. – 270. G. P.m.ē.) precizētu un izvērstu šo ideju. Šī iemesla dēļ tas būtu saistīts ar viņa iedvesmoto filozofijas skolu (epikūriānisms).

Indiešu filozofs Kanāda, kurš, domājams, ir dzīvojis laikā no 6. līdz 2. gadsimtam pirms mūsu ēras, ierosināja līdzīgu ideju. Viņa filozofijā visu matēriju veidoja "paramanu" - nedalāmas un neiznīcināmas daļiņas. Viņš arī ierosināja, ka gaisma un siltums ir viena un tā pati viela citā formā.

Indiešu filozofs Dignana (480. – 540. G. P.m.ē.), kurš bija viens no Indijas loģiskās domu skolas budistu pamatlicējiem, devās vēl tālāk, ierosinot, ka visu matēriju veido enerģija.

Šīs teorijas rietumos lielā mērā tika aizmirstas, taču tās joprojām būs populāras islāma un Āzijas zinātnieku vidū, kuri tās pārtulkoja arābu un citās valodās. Apmēram 14. gadsimtā rietumos atkal parādīsies interese par “atomismu”, pateicoties klasisko darbu tulkošanai latīņu valodā.

Zemes vieta Saules sistēmā

Starp 2. gadu tūkstoti pirms mūsu ēras un 2. gadsimtu mūsu ērā astronomija un astroloģija turpināja attīstīties un attīstīties. Šajā laikā astronomi novēroja pareizas planētu kustības un zvaigznāju kustību caur Zodiaku.

Šajā laikā grieķu astronomi formulēja Visuma ģeocentrisko modeli, kur ap Zemi griežas Saule, planētas un zvaigznes.

Šīs tradīcijas tika apkopotas 2. gadsimta CE matemātiskajā un astronomiskajā traktātāAlmagests, kuru uzrakstīja grieķu-ēģiptiešu astronoms Klaudijs Ptolemajs (aka Ptolemajs).

Šo traktātu un tajā ietverto kosmoloģisko modeli daudzi viduslaiku Eiropas un islāma zinātnieki uzskatīs par kanonu un vairāk nekā tūkstoš gadus paliks autoritatīvs astronomijas avots.

Viduslaikos (ap 5. - 15. gadsimtu p.m.ē.) indiešu, persiešu un arābu zinātnieki uzturēja un paplašināja klasiskās astronomijas tradīcijas. Tajā pašā laikā viņi tos papildināja, piedāvājot dažas revolucionāras idejas, piemēram, Zemes rotāciju.

Daži zinātnieki gāja vēl tālāk un piedāvāja Visuma heliocentriskos modeļus - piemēram, Indijas astronoms Aryabhata (476–550 p.m.ē.), persiešu astronomi Albumasar (787—886) un Al-Sijzi (945—1020 CE).

Iespējams, ka viņu darbus iedvesmoja agrākie Aristarhas no Samosa (310–230 m.ē.p.), Seleika Seleikijas (190.p.m.ē. - 150.p.m.ē.) un daži Pitagoras filozofi no 4. un 5. gs. M.ē.

Līdz 16. gadsimtam Nikolajs Koperniks publicēja pilnu heliocentriskā Visuma modeli. Sākotnēji viņš ierosināja šo modeli 40 lappušu garā rokrakstā ar nosaukumu Commentariolus (“Mazais komentārs”), kas tika izlaists 1514. gadā.

Viņa teorija atrisināja ieilgušos jautājumus, kas nomocīja iepriekšējos heliocentriskos modeļus, un tā balstījās uz septiņiem vispārīgiem principiem. Viņi apgalvoja, ka:

  1. Visiem debesu orbiem vai sfērām nav viena centra.
  2. Zemes centrs ir nevis Visuma, bet tikai smaguma un Mēness sfēras centrs.
  3. Visas sfēras ieskauj Sauli, kas ir it kā visu to vidū, tā ka Visuma centrs atrodas netālu no Saules.
  4. Zemes attāluma no Saules un debess augstuma attiecība ir tik daudz mazāka nekā Zemes rādiusa attiecība pret tās attālumu no Saules, ka attālums starp Zemi un Sauli ir nemanāms, salīdzinot ar Zemes augstumu. cietoksnis.
  5. Neatkarīgi no kustības, kas parādās debesīs, tas ir saistīts nevis ar to, bet ar Zemi. Attiecīgi Zeme kopā ar apkārt esošajiem elementiem ikdienas kustībā veic pilnīgu pagriešanos pa saviem fiksētajiem poliem, kamēr debess un augstākās debesis paliek nemainīgas.
  6. Tas, kas mums šķiet Saules kustības, ir saistīts nevis ar tās kustību, bet gan ar Zemes un mūsu sfēras kustību, ar kuru mēs rotējam ap Sauli tāpat kā [mēs to darītu] ar jebkuru citu planētu. Tad Zemei ir vairāk nekā viena kustība.
  7. Tas, kas uz planētām parādās kā retrogrādās un tiešās kustības [pārmaiņas], notiek nevis viņu, bet gan Zemes kustības dēļ. Tāpēc ar Zemes kustību vien pietiek, lai izskaidrotu tik daudz acīmredzamo pārkāpumu debesis.

Koperniks izvērsīs šīs idejas savā magnum opus - De revolutionibus orbium coelestium(Par Debesu sfēru revolūcijām) - kuru viņš pabeidza 1532. gadā. Tomēr, baidoties no vajāšanas, Koperniks neļāva to publicēt tikai neilgi pirms viņa nāves (1534. gadā).

Šajā darbā Koperniks atkārtotu savus septiņus galvenos argumentus un sniegtu detalizētus aprēķinus, lai tos atbalstītu. Viņa idejas turpinātu iedvesmot itāļu astronomu, matemātiķi un izgudrotāju Galileo Galileju (1564 - 1642).

Galileo izmantotu paša radītu teleskopu, izpratni par fiziku un matemātiku un stingru zinātniskās metodes pielietojumu, lai uzlabotu Kopernika novērojumus un aprēķinus.

Galileo novērojumi par Mēnesi, Sauli un Jupiteru izrādīsies ļoti ietekmīgi un palīdzēja atklāt ģeocentriskā modeļa trūkumus. Viņa novērojumi, piemēram, uz Mēnesi, atklāja piestiprinātu un krāterētu virsmu, savukārt Saules novērojumi - saules plankumus.

Viņš bija atbildīgs arī par Jupitera lielāko pavadoņu - Io, Eiropas, Ganimeda un Kallisto - atklāšanu, kas vēlāk viņam par godu tiks dēvēti par "Galilejas pavadoņiem".

Šie atklājumi bija pretrunā ar sen izplatītajiem uzskatiem, ka debesis ir ideālas sfēras (kas atbilst kristiešu teoloģijai) un ka nevienai citai planētai, izņemot Zemi, nav pavadoņu.

Viņa novērojumi par planētām atklāja, ka viņu parādīšanās un atrašanās debesīs atbilst teorijai, ka tās riņķo ap Sauli.

Viņš dalījās ar šiem novērojumiem traktātos, piemēram, Sidereus Nuncius (Zvaigžņotais sūtnis) un Uz saulē novērotajiem punktiemabi tika publicēti 1610. gadā.

Bet tas bija viņa 1632. gada traktāts, Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo (Dialogs par divām galvenajām pasaules sistēmām), kur viņš iestājās par Visuma heliocentrisko modeli.

Johanness Keplers (1571-1630) modeli vēl vairāk pilnveidoja ar saviem Planētu kustības likumiem, kas parādīja, ka planētu orbītas bija elipsveida, nevis perfekti apļi (kā to bija apgalvojuši Galileo un iepriekšējie astronomi).

Tas faktiski panāca "lielās debates" par Saules sistēmas būtību un padarīja heliocentrismu par zinātnisku vienprātību, sākot ar 17. gadsimta beigām.

No Saules sistēmas līdz Piena ceļam

Vēl viens revolucionārs atklājums, kas radās 17. un 18. gadsimtā, bija apziņa, ka mūsu Saules sistēma nav unikāla. Pateicoties teleskopa izgudrošanai, mūsu izpratne par Piena ceļu krasi mainījās.

Tā vietā, lai būtu milzīgs mākonis joslas formā (kā tika domāts iepriekš), astronomi sāka saprast, ka miglaina struktūra, ko viņi gadu tūkstošiem bija novērojuši nakts debesīs, patiesībā bija miljardiem tālu zvaigžņu.

Tiesa, ideja nebija pilnīgi jauna. 13. gadsimtā persiešu astronoms un polimāts Nasirs al-Din al-Tusi (1201–1274) savā grāmatā ieteica tieši šo iespēju, Tadhkira:

“Piena ceļš, t.i., Galaktika, sastāv no ļoti daudzām mazām, cieši sakopotām zvaigznēm, kuras koncentrēšanās un mazuma dēļ šķiet mākoņainas plankumi. Tāpēc to salīdzināja ar piena krāsu. ”

Tomēr astronomi to varēja novērot tikai Zinātniskajā revolūcijā (apm. 16. - 18. gadsimtā). In Zvaigžņotais sūtnis, Galilejs aprakstīja novērojumu, ko viņš veica par "miglainajām zvaigznēm", kuras bija iekļautas Almagesta zvaigžņu katalogā.

Šie novērojumi lika viņam secināt, ka Piena ceļa joslas "miglainās" sadaļas faktiski bija "neskaitāmu zvaigžņu grupējumi, kas sagrupēti kopās". Šis atklājums vēl vairāk atbalstīja heliocentrisma lietu, jo tas parādīja, ka Visums ir daudz lielāks, nekā tika domāts iepriekš.

1755. gadā vācu filozofs Imanuels Kants izteica teoriju, ka Piena ceļš ir masveida zvaigžņu kopa, ko tur kopā viņu savstarpējās gravitācijas spēks. Viņš arī paredzēja, ka šīs zvaigznes (kopā ar Saules sistēmu) ir daļa no saplacināta diska, kas rotē ap kopēju centru - līdzīgi kā planētas ap Sauli.

1785. gadā astronoms Viljams Heršels mēģināja izveidot pirmo Piena ceļa karti. Viņa aprēķinus par tā lielumu un formu noraidīja fakts, ka lielu daļu mūsu galaktikas aizsedz putekļi un gāze, taču viņa mēģinājums liecināja par progresu, kas tika panākts.

Līdz 19. gadsimtam uzlabota optika un teleskopi ļāva astronomiem uzzināt vairāk par nakts debesīm, kas daudziem lika secināt, ka mūsu Saules sistēma bija tikai viens no miljardiem Piena ceļā.

Līdz 20. gadsimtam viņi saprata, ka Piena ceļš ir tikai viens no miljardiem Visumā. Bet viena lieta vienlaikus ...

Ņūtons un Einšteins revolucionē visu

Cilvēces izpratni par Visumu 17. gadsimta beigās atkal radīs revolucionārs britu polimāta sera Īzaka Ņūtona (1642/43 - 1727) darbs. Izmantojot Keplera kustības teoriju, viņš izstrādāja gravitācijas teoriju (aka. Universālā gravitācija).

Tas tika apkopots viņa galvenajā darbā, Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica (“Dabas filozofijas matemātiskie principi”), kas tika publicēts 1687. gadā un saturēja Ņūtona trīs kustības likumus. Šie likumi noteica, ka:

  1. Skatoties inerciālā atskaites rāmī, objekts vai nu paliek miera stāvoklī, vai arī turpina kustību ar nemainīgu ātrumu, ja vien to nedarbina ārējs spēks.
  2. Uz objektu esošo ārējo spēku (F) vektoru summa ir vienāda ar šī objekta masu (m), kas reizināta ar objekta paātrinājuma vektoru (a). Matemātiskā formā to izsaka šādi: F = ma
  3. Kad viens ķermenis izdara spēku uz otro ķermeni, otrais ķermenis vienlaikus iedarbina spēku, kas vienāds ar lielumu un pretējs virzienā uz pirmo ķermeni.

Šie likumi aprakstīja, kā objekti viens otru ietekmē un kā rezultātā rodas kustība. Pēc sava darba Ņūtons spēja aprēķināt planētu masu, noteikt, ka Zeme nav ideāla sfēra un kā Zemes mijiedarbība ar Sauli un Mēnesi ietekmē okeāna plūdmaiņas.

Šiem un citiem detalizētiem aprēķiniem būtu dziļa ietekme uz zinātnēm, un tie veidotu klasiskās fizikas (aka. Ņūtona fizikas) pamatu, kas arī turpmākos 200 gadus paliktu pieņemtais kanons.

Tas mainītos 20. gadsimta sākumā, kad jauns teorētiskais fiziķis vārdā Alberts Einšteins sāka publicēt virkni dokumentu, kuros apsprieda viņa īpašās un vispārējās relativitātes teorijas.

Šīs teorijas daļēji bija mēģinājums atrisināt pretrunas starp Ņūtona fiziku un nesen atklātajiem elektromagnētisma likumiem - vislabāk to apkopoja Maksvela vienādojumi un Lorenca spēka likums).

Einšteins pievērsīsies šai neatbilstībai vienā no rakstiem, ko viņš rakstīja 1905. gadā, strādājot patentu birojā Bernē, Šveicē. Nosaukums:Par kustīgo ķermeņu elektrodinamiku", šis dokuments kļuva par īpašās relativitātes (SR) pamatu.

Einšteina teorija apstrīdēja iepriekš valdījušo darba vienprātību, ka gaisma, kas pārvietojas pa barotni, tiktu vilkta garām. Tas nozīmēja, ka gaismas ātrums (kas jau bija noteikts) bija tā ātruma summa cauri vidējs plus ātrums gada ka vidēja.

Tas noveda pie visa veida teorētiskām komplikācijām, un eksperimenti, mēģinot tos atrisināt, ieguva nulles rezultātus. Tā vietā Einšteins paziņoja, ka gaismas ātrums visos inerciālajos ietvaros ir vienāds - teorija atcēla vajadzību pēc nesējiem vai svešiem paskaidrojumiem.

Kā teorija SR ne tikai vienkāršoja matemātiskos aprēķinus un atrisināja jautājumus starp elektromagnētismu un fiziku, bet arī cieši piekrita gaismas ātrumam un izskaidroja eksperimentos radušās novirzes.

Laikā no 1907. līdz 1911. gadam Einšteins sāka pielietot savu SR teoriju gravitācijas laukos - vēl vienā jomā, kur Ņūtona fizikai bija grūtības. Līdz 1911. gadam šie centieni beidzās arPar gravitācijas ietekmi uz gaismas izplatīšanos“.

Šis dokuments ir pamats vispārējai relativitātei (GR). Tajā Einšteins paredzēja, ka laiks ir salīdzināms ar novērotāju un ir atkarīgs no viņu stāvokļa gravitācijas laukā, un ka gravitācijas masa ir identiska inerciālajai masai (aka. Ekvivalences princips).

Vēl viena lieta, ko Einšteins paredzēja šajā dokumentā, bija ideja, ka divi novērotāji, kas atrodas dažādos attālumos no gravitācijas masas, laika plūsmu uztvertu atšķirīgi (aka gravitācijas laika dilatācija). Šīs teorijas joprojām ir iedibināta mūsdienu fizikas sastāvdaļa.

Visums ir tumšs

Einšteina teorijas, kas izpelnījās plašu akceptēšanu, uz zinātnēm atstāja daudzas sekas. Jo īpaši viņa relativitātes lauka vienādojumi arī paredzēja melno caurumu un Visuma pastāvēšanu, kas bija vai nu pastāvīgas izplešanās, vai saraušanās stāvoklī.

1915. gadā, dažus mēnešus pēc GR plašas popularitātes, vācu fiziķis un astronoms Karls Švarcilds atrada Einšteina lauka vienādojumu risinājumu, kas gadu desmitiem pirms to novērošanas radīja melno caurumu teoriju.

Šis risinājums, kas pazīstams arī kā Schwarzschild rādiuss, aprakstīja, kā sfēras masa varētu kļūt tik saspiesta, ka aizbēgšanas ātrums no virsmas būtu vienāds ar gaismas ātrumu. "Rādiuss" šajā gadījumā attiecas uz izmēru, zem kura gravitācijas pievilcībai starp ķermeņa daļiņām ir jāizraisa neatgriezenisks gravitācijas sabrukums.

1931. gadā Indijas un Amerikas astrofiziķis Subrahmanyan Chandrasekhar to paplašināja, izmantojot SR, lai aprēķinātu, cik masīvam ķermenim būtu jākļūst, pirms tas sabrūk sevī - vēlāk to sauc par Chandrasekhar robežu.

Līdz 1939. gadam neitronu zvaigžņu atklāšana atbalstīja Čandrasekhara teorijas, parādot, ka baltais punduris ar masu zem šīs robežas faktiski sabrūk. Iegūtais objekts (neitronu zvaigzne) rezultātā ir ļoti blīvs un tam ir neticami spēcīgs magnētiskais lauks.

No tā tādi fiziķi kā Roberts Oppenheimers apgalvoja, ka pietiekamas masas baltais punduris turpinās sabrukt un veidot melno caurumu. Lai arī šī bija vēl viena masas robeža (pazīstama kā Tolmana – Oppenheimera – Volkofa robeža), tā bija saskaņā ar Čandrasehara teoriju.

Līdz 1960. un 1970. gadiem astrofiziķi veica daudzus GR testus, izmantojot melnos caurumus un liela mēroga struktūras (piemēram, galaktikas un galaktiku kopas). To varētu dēvēt par "Vispārējās relativitātes zelta laikmetu" (1960 - 1975), jo tas ļāva pārbaudīt Einšteina teoriju kā nekad agrāk.

Tomēr astrofiziķi arī šajos testos pamanīja kaut ko īpaši satriecošu. Aplūkojot galaktikas un lielāku vielas koncentrāciju Visumā, viņi atklāja, ka šo objektu novērotā gravitācijas ietekme neatbilst to šķietamajai masai.

Tas ļāva zinātnieku aprindām secināt, ka galaktikās ir daudz masu, ko viņi nevar redzēt. Tas radīja teoriju par tumšo matēriju, noslēpumainu masu, kas ar elektromagnētiskā spēka starpniecību nesadarbojas ar "parasto vielu" (aka. Redzamo vai barionisko vielu).

Tas nozīmē, ka tas neuzsūc, neatspoguļo un neizstaro gaismu, tāpēc to ir ļoti grūti pamanīt. Tas mijiedarbojas ar matēriju tikai caur savu gravitācijas spēku. Tiek uzskatīts, ka tumšā viela atsver redzamo vielu aptuveni sešus pret vienu, veidojot apmēram 27% no Visuma. Tiek uzskatīts, ka tas arī ir dziļi ietekmējis tā attīstību.

Visums paplašinās

Citas GR sekas bija prognozes, ka Visums atrodas vai nu pastāvīgā izplešanās vai saraušanās stāvoklī. Līdz 1927. - 1929. gadam beļģu fiziķis (un Romas katoļu priesteris) Žoržs Lemetrs un amerikāņu astronoms Edvīns Habls apstiprināja, ka tas bija pirmais.

Tajā laikā Einšteins vēl meklēja veidu, kā racionalizēt statiskā Visuma ideju. Šim nolūkam viņš ierosināja "kosmoloģisko konstanti", kas bija vēl neatklāts spēks, kas "aizturēja gravitāciju", lai nodrošinātu, ka matērijas sadalījums kosmosā laika gaitā ir vienmērīgs.

Izmantojot citu galaktiku sarkanās nobīdes mērījumus, Habls pierādīja Einšteina kļūdīšanos. Šie mērījumi parādīja, ka gaismai, kas nāk no šīm galaktikām, ir saīsināti viļņu garumi - t.i., tā ir novirzīta uz spektra sarkano galu -, kas norāda, ka iejaukšanās telpa paplašinās.

Habla novērojumi arī parādīja, ka galaktikas, kas atradās vistālāk no mūsu pašu, atkāpās ātrāk. Šī parādība būtu pazīstama kā Habla likums, un ātrums, kādā tas notika, tiktu dēvēts par Habla konstanti.

1931. gadā Georges Lemaitre izmantos viņa kopīgi atklātās parādības, lai formulētu ideju, ka Visumam ir sākums. Patstāvīgi apstiprinājis, ka Visums paplašinās, viņš ieteica, ka tas ir pakāpeniski mazāks, jo tālāk skatoties atpakaļ.

Kādā pagātnes brīdī, pēc viņa domām, visa Visuma masa būtu koncentrējusies vienā punktā. Šie atklājumi izraisīja debates starp fiziķiem, kuri tika sadalīti divās domu skolās.

Vairākums joprojām iestājās par to, ka Visums atrodas līdzsvara stāvoklī (t.i., līdzsvara stāvokļa teorija), kur matērija tiek nepārtraukti radīta, Visumam paplašinoties, tādējādi nodrošinot vienmērīgumu laika gaitā.

No otras puses bija tādi, kas uzskatīja, ka Visums pamazām paplašinās, un tā rezultātā vielas blīvums lēnām samazinās. Šo ideju sāka dēvēt par “Lielā sprādziena teoriju” - monikeru, kuru grūtsirdīgi norīkoja Stabilas valsts teorijas atbalstītāji.

Pēc vairākām desmitgadēm parādījās vairākas pierādījumu līnijas, kas atbalstīja Lielā sprādziena interpretāciju. Tas ietvēra kosmiskā mikroviļņu fona (CMB) atklāšanu un apstiprināšanu 1965. gadā, ko bija paredzējusi Lielā sprādziena teorija.

CMB būtībā ir "relikvijas starojums", kas palicis pāri no Lielā sprādziena un kopš tā laika ir paplašinājies ar gaismas ātrumu. Novērtējot CMB attālumu, kas visos virzienos ir aptuveni 13,8 miljardi gadu, zinātnieki varēja ierobežot Visuma vecumu.

Deviņdesmitajos gados zemes teleskopu uzlabojumi un kosmosa teleskopu ieviešana noveda pie jauniem un pārsteidzošiem atklājumiem. Zinātnieki uzskatīja, ka gravitācijas rezultātā Visuma paplašināšanās palēnināsies. Tomēr astronomi tagad novēroja, ka pēdējos četrus miljardus gadu kosmiskā izplešanās faktiski ir paātrinājusies.

Tas radīja teoriju par tumšo enerģiju, noslēpumainu spēku, kas kaut kā darbojas pret gravitāciju un izstumj kosmosu tālāk. Teorētiķi nāca klajā ar dažādiem paskaidrojumiem par Dark Matter. Daži izteica viedokli, ka Einšteina "kosmoloģiskā konstante" visu laiku varētu būt pareiza. Citi uzskatīja, ka Einšteina gravitācijas teorija nav pareiza, un ir nepieciešama jauna teorija, kas ietver kaut kādu lauku, kas rada šo kosmisko paātrinājumu.

Vienu vadošo kosmoloģisko teoriju mūsdienās raksturo Lambda Cold Dark Matter (λCDM). Pašlaik tas ir vienkāršākais modelis, kas veido lielāko daļu novēroto Visuma īpašību. Tajā teikts, ka lielāko Visuma daļu veido tumšā enerģija, tumšā matērija un parastā matērija, un to dēvē arī par Lielā sprādziena kosmoloģijas standarta modeli. Tas pieņem, ka vispārējā relativitāte ir pareiza gravitācijas teorija kosmoloģiskajos mērogos, un tā izskaidro daudzas kosmosa īpašības, ieskaitot kosmisko mikroviļņu fonu un Visuma paplašināšanās paātrinājumu.

Ko tad mēs nezinām?

Atbilde uz šo jautājumu ir, tiešām daudz! Lai atbildētu uz to efektīvi, mums ir jāaplūko, kā zinātnieki pēta Visumu no augšas uz leju un ņem vērā, kur atrodas nepilnības.

Iesācējiem zinātnieki saprot, kā matērija, laiks un telpa rīkojas lielākajā mērogā. Vislabāk to apkopo GR, kas precīzi raksturo to, kā masa un gravitācija ir saistītas un ietekmē telpas laiku.

Tomēr kopš pagājušā gadsimta sešdesmitajiem gadiem astrofiziķi ir sapratuši, ka tur ir ļoti daudz masu, ko viņi nevar redzēt. Lai arī teorētiski tam ir jēga, mēģinājumi atrast Dark Matter līdz šim nav devuši neko pārliecinošu.

Tātad, lai gan jūs varētu teikt, ka mēs zinām, cik daudz materiāla tur ir, mēs nevaram pārliecinoši uzskaitīt lielāko daļu no tā. Līdzīgi mēs zinām, ka Visums ir paplašināšanās stāvoklī kopš 20. gadsimta 20. gadu beigām. Tomēr mēs nezinām, kāpēc tieši tā.

Visuma izplešanās ātrumu var izskaidrot ar tumšās enerģijas klātbūtni. Bet tāpat kā tumšā matērija, arī izmeklēšanā vēl nav noskaidrots, kas tas īsti ir.

Un tur ir pats Visums. Atklājot CMB, astronomi un kosmologi spēja izsekot kosmosa evolūcijai un varēja cieši novērtēt, cik tas ir vecs. Šobrīd tiek lēsts, ka kosmosa vecums ir 13,799 ± 0,021 miljardi gadu.

Bet cik liels tas ir? Tas joprojām ir noslēpums. Balstoties uz kosmiskās izplešanās ātrumu, astrofiziķi lēš, ka "novērojamais" Visums ir sfēra, kuras garums ir aptuveni 93 miljardi gaismas gadu. Tomēr ārpus tā Visums, iespējams, sniedzas daudz tālāk un varētu būt pat bezgalīgs.

Lietu otrajā galā zinātnieki ir noteikuši, ka pastāv četri pamatspēki (jeb fundamentālās mijiedarbības), kas pārvalda visu matērijas un enerģijas mijiedarbību Visumā.

Šie spēki sastāv no gravitācijas spēka (kas attiecināms uz telpas laika izliekumu un ir aprakstīts GR) un no trim diskrētajiem kvantu mehānikas laukiem - kopā saukti par Kvantu lauka teoriju (QFT).

Šie lauki ietver vājo kodolspēku, spēcīgo kodolspēku un elektromagnētismu, kas nodarbojas ar subatomiskām daļiņām un to mijiedarbību, kā aprakstīts daļiņu fizikas standarta modelī.

Vēl viens veids, kā to aplūkot, ir sagrupēt šīs mijiedarbības trīs kategoriju sistēmā: gravitācija, elektrības vājie spēki un spēcīgie spēki. Šīs pēdējās divas kategorijas ir sadalītas vājos kodolspēkos un elektromagnētiskajos spēkos, kā arī fundamentālajos un atlikušajos kodolspēkos.

Tā kā gravitācija sasaista planētas, zvaigznes, galaktikas un galaktiku kopas (t. I., Makrolīmeni), elektrības vājie spēki saista atomus un molekulas, bet spēcīgie spēki - hadronus un atomu kodolus.

Šeit slēpjas problēma. Zinātnieki saprot, kā gravitācija darbojas lielākajā svarā, bet ne mazākajā. Tas padara to atšķirīgu no visiem citiem Visumā zināmajiem spēkiem, kuriem ir atbilstoša subatomiskā molekula.

Elektrībai un magnētismam ir elektroni un fotoni. Vājiem un spēcīgiem kodolspēkiem ir bozoni, gluoni un mezoni. Tomēr patlaban nav tādas lietas kā "gravitons", vismaz ne ārpus hipotētiskā.

Un līdz šim visi mēģinājumi atrast pārliecinošu kvantu gravitācijas teoriju - aka. teorija par visu (ToE) - nav izdevusies. Lai to atrisinātu, ir ierosinātas vairākas teorijas - galvenie pretendenti ir stīgu teorija un cilpu kvantu smagums -, taču neviena no tām vēl nav izšķiroši pierādīta.

Kā tas viss beigsies?

Labi, šeit ir tā lieta ... mēs arī to nezinām. Tiesa, priekšstats, ka Visumam ir sākums, dabiski rada domu, ka tam būs iespējamas beigas. Ja Visums sākās kā niecīgs punkts laika telpā, kas pēkšņi sāka paplašināties, vai tas nozīmē, ka tas turpinās paplašināties uz visiem laikiem?

Vai arī, kā jau tika teoretizēts, vai tā pārtrauks paplašināties un sāks sarukt, galu galā atkal samazinoties mazā, sfēriskā masā? Šis jautājums ir plosījies kopš tā laika, kad kosmologi sāka debatēt par to, kā Visums sākās - Lielais sprādziens vai Stabils stāvoklis?

Pirms novērojumiem, kas parādīja, kā Visums ir paplašinājies paātrinātā tempā, lielākajai daļai kosmologu šajā jautājumā bija divi prāti. Tie bija pazīstami kā "Big Crunch" un "Big Freeze" scenāriji.

Pirmajā Visums paplašināsies, līdz tam beigsies enerģija un pēc tam sāks sabrukt sevī. Pieņemot, ka Visums sasniedz punktu, kur tā masas blīvums ir lielāks par kritisko blīvumu, Visums sāks sarauties.

Ja Visuma blīvums ir vienāds vai zemāks par kritisko blīvumu, Visums turpinās paplašināties, līdz zvaigžņu veidošanās beigsies. Galu galā visas zvaigznes sasniegs mūža beigas un kļūs par mirušām sēnalām vai melnajām caurumiem.

Galu galā melnie caurumi sadurtos un veidotos arvien lielāki melnie caurumi. Tas galu galā novestu pie "karstuma nāves" Visumā, kur tiktu patērēts pēdējais elektromagnētiskais starojums. Paši melnie caurumi galu galā izzustu, kad viņi izlādētu pēdējo savu Hokinga starojumu.

Kopš 1990. gadiem novērojumi, kas noveda pie tumšās enerģijas teorijas, rosināja jaunas diskusijas par Visuma likteni. Tagad ir teorija, ka, turpinot paplašināties kosmosam, arvien vairāk novērojamā Visuma izies ārpus CMB un kļūs novērotājiem neredzams.

Tikmēr CMB turpinās sarkanās maiņas, līdz tā kļūs redzama tikai radio viļņa garumā. Eventually, it will disappear entirely and astronomers will see nothing but blackness beyond the edge of what's visible.

Another possibility is the "Big Rip" scenario, where continued expansion will eventually lead all galaxies, stars, planets, and even atoms themselves to be torn apart, leading to the death of all matter.

Big Crunch, Big Freeze, or Big Rip? At this juncture, we just don't know. The same is true when it comes to theories of how the Universe began - was it a Big Bang or more of a Big Bounce?

This is also the case when it comes to our attempts to unify gravity with the other fundamental forces. Right now, the best we have are theories that have a certain logical consistency but remain unproven.

As Socrates famously said: "One thing only I know, and that is that I know nothing." This knowledge, it is said, is what made Socrates the wisest man in all the land. In the same respect, humanity's grasp of the Universe is strangely paradoxical.

We know it's expanding, we're just not sure how. We know how much mass is out there, we just can't see most of it. We know how gravity works, just not how it fits with the other forces. We don't know how it began or will end, but we have some theories that fit with the observable evidence.

So while there is much that we don't know about the Universe, we at least have a pretty good idea of what we don't know. This puts us at an advantage over previous generations of humanity who were not only ignorant of the Universe at large but ignorant or their ignorance.

We are also at a point in our technological evolution where we can see more of the Universe than ever before, whether that's on the largest or smallest of scales. Between next-generation instruments, supercomputers, and particle accelerators, scientists are pushing the boundaries of what we can see.

The only way to overcome ignorance is to know where our ignorance lies and then address it. In that respect, humanity is poised to learn a great deal in the near future!

  • NASA- The Big Bang
  • CERN - The Standard Model
  • Wikipedia - Theory of Everything
  • Hyperphysics - General Relativity
  • Space - Einstein's Theory of Relativity
  • University of Cambridge - David Tong: Special Relativity
  • Stanford Encyclopedia of Philosophy - Quantum Field Theory
  • Marxist.org - Albert Einstein Reference Archive: The Special and General Theory


Skatīties video: Ilgonis Vilks par lekciju kursu Visuma noslēpumus šķetinot (Decembris 2021).