הבנת הקוסמולוגיה והשפעותיה

קוסמולוגיה יכולה להיות דיסציפלינה קשה להתמודד איתה, מכיוון שהיא תחום לימודים בפיזיקה הנוגע בתחומים רבים אחרים. (אם כי למען האמת, בימינו כמעט כל תחומי הלימוד בפיזיקה נוגעים בתחומים רבים אחרים.) מהי קוסמולוגיה? מה בעצם עושים האנשים שלומדים את זה (המכונים קוסמולוגים)? איזה ראיות יש לתמוך בעבודתם?

קוסמולוגיה היא משמעת המדע הבוחנת את מקורו וגורלו של היקום בסופו של דבר. זה קשור באופן הדוק ביותר לתחומים הספציפיים של אסטרונומיה ואסטרופיזיקה, אף על פי שהמאה הקודמת הביאה את הקוסמולוגיה מקרוב גם יחד עם תובנות מפתח מפיזיקת החלקיקים.

במילים אחרות, אנו מגיעים להבנה מרתקת:

ההבנה שלנו בקוסמולוגיה המודרנית נובעת מחיבור ההתנהגות של הגדול ביותר מבנים ביקום שלנו (כוכבי לכת, כוכבים, גלקסיות ואשכולות גלקסיות) יחד עם אלה של הכי קטן מבנים ביקום שלנו (חלקיקים יסודיים).

חקר הקוסמולוגיה הוא ככל הנראה אחת הצורות העתיקות ביותר של חקירה ספקולטיבית על הטבע, והוא החל בשלב מסוים בהיסטוריה כאשר אדם קדום הביט אל השמיים, שאל שאלות כמו הבא:

• איך הגענו להיות כאן?
• מה קורה בשמי הלילה?
• האם אנו לבד ביקום?
• מהם הדברים המבריקים האלה בשמיים?

קלטת את הרעיון.

הקדמונים עשו כמה ניסיונות די טובים להסביר את הדברים. העיקרי מבין אלה במסורת המדעית המערבית הוא הפיזיקה של היוונים הקדמונים, שפיתח מודל גיאוצנטרי מקיף של היקום ששוכלל במשך מאות שנים עד לתקופת תלמי, באותה נקודה הקוסמולוגיה באמת לא התפתחה עוד כמה מאות שנים, למעט בחלק מהפרטים על המהירות של המרכיבים השונים של ה- מערכת.

ההתקדמות הגדולה הבאה באזור זה הגיעה מניקולאוס קופרניקוס בשנת 1543, כאשר פרסם את ספר האסטרונומיה על ערש דווי. (בציפייה שזה יגרום מחלוקת עם הכנסייה הקתולית), תוך ציון הראיות למודל ההליוצנטרי שלו של השמש מערכת. התובנה העיקרית שהניעה טרנספורמציה זו בחשיבה הייתה הרעיון כי אין ממש סיבה להניח שכדור הארץ מכיל עמדה מיוחסת ביסודו הפיזי קוסמוס. שינוי הנחות זה ידוע בשם עקרון קופרניקאן. המודל ההליוצנטרי של קופרניקוס הפך לפופולארי עוד יותר ומקובל על סמך יצירתו של טייצ'ו ברהה, גלילאו גליליי, ו יוהנס קפלרשצבר ראיות ניסיוניות משמעותיות בתמיכה במודל ההליוצנטרי הקופרניקני.

זה היה סר איזק ניוטון עם זאת, שהצליח להפגיש את כל התגליות הללו כדי להסביר למעשה את התנועות הפלנטריות. הייתה לו האינטואיציה והתובנה להבין כי תנועתם של חפצים הנופלים על האדמה דומה לתנועתם של חפצים המקיפים את כדור הארץ (במהותם, אובייקטים אלה נופלים ללא הפסקה מסביב כדור הארץ). מכיוון שתנועה זו הייתה דומה, הוא הבין שהיא ככל הנראה נגרמה על ידי אותו כוח, אליו כינה כוח משיכה. על ידי התבוננות מדוקדקת ופיתוח מתמטיקה חדשה הנקראת חשבון ושלו שלושה חוקי תנועהניוטון הצליח ליצור משוואות שתיארו תנועה זו במגוון מצבים.

למרות שחוק הכובד של ניוטון עבד בניבוי תנועת השמים, הייתה בעיה אחת... לא היה ברור בדיוק איך זה עובד. התיאוריה הציעה כי עצמים בעלי מסה מושכים זה את זה לרחבה, אך ניוטון לא הצליח לפתח הסבר מדעי למנגנון בו כוח המשיכה השתמש בכדי להשיג זאת. כדי להסביר את הבלתי מוסבר, ניוטון הסתמך על פנייה גנרית לאלוהים, בעיקרון, חפצים מתנהגים כך בתגובה לנוכחותו המושלמת של האל ביקום. כדי לקבל הסבר פיזי היה ממתין למעלה משתי מאות שנים, עד הגעתו של גאון שהאינטלקט שלו יכול ליקוי אפילו את זה של ניוטון.

הקוסמולוגיה של ניוטון שלטה במדע עד תחילת המאה העשרים אלברט איינשטיין פיתח את התיאוריה שלו בנושא תורת היחסות הכללית, שהגדירה מחדש את ההבנה המדעית של כוח הכבידה. בניסוח החדש של איינשטיין, כוח המשיכה נגרם על ידי כיפוף של זמן מרחב 4-מימדי בתגובה לנוכחותו של חפץ מסיבי, כמו כוכב לכת, כוכב או אפילו גלקסיה.

אחת ההשלכות המעניינות של ניסוח חדש זה הייתה שתקופת החלל עצמה לא הייתה בשיווי משקל. בסדר קצר למדי, מדענים הבינו כי תורת היחסות הכללית ניבאה כי זמן החלל יתרחב או יתכווץ. האמין איינשטיין שהיקום באמת נצחי, הוא הציג א קבוע קוסמולוגי אל התיאוריה, שסיפקה לחץ ששימש נגד ההתרחבות או ההתכווצות. עם זאת, כאשר בסופו של דבר האסטרונום אדווין האבל גילה שהיקום מתרחב, איינשטיין הבין שהוא עשה טעות והוציא את הקבוע הקוסמולוגי מהתיאוריה.

אם היקום היה מתרחב, המסקנה הטבעית היא שאם היית מרימה את היקום מחדש, היית רואה שהוא בטח התחיל בגוש חומר זעיר וצפוף. תיאוריה זו על אופן התחלת היקום נקראה תיאוריית המפץ הגדול. זו הייתה תיאוריה שנויה במחלוקת במהלך העשורים האמצעיים של המאה העשרים, מכיוון שהיא התמודדה עם דומיננטיות נגד פרד הויל תיאוריה של מצב יציב. אולם, גילוי קרינת הרקע הקוסמית של מיקרוגל בשנת 1965 אישר חיזוי שנעשה ביחס למפץ הגדול, ולכן הוא התקבל באופן נרחב בקרב פיזיקאים.

למרות שהוא הוכח כשגוי בכל הנוגע לתיאוריה של המצב הקבוע, הויל זוכה לזכות ההתפתחויות העיקריות בתאוריה של נוקלאוזינתזה מהממיםשהיא התיאוריה לפיה מימן ואטומי אור אחרים הופכים לאטומים כבדים יותר בתוך הכורסים הגרעיניים המכונים כוכבים, ויורקים החוצה ליקום עם מות הכוכב. האטומים הכבדים האלה עוברים אז למים, כוכבי לכת ובסופו של דבר חיים על כדור הארץ, כולל בני אדם! לפיכך, במילותיהם של קוסמולוגים רבים ומצערים, כולנו נוצרים מכוכבי אמון.

בכל אופן, בחזרה להתפתחות היקום. ככל שמדענים צברו מידע נוסף על היקום ומדדו בזהירות יותר את קרינת הרקע הקוסמית של המיקרוגל, הייתה בעיה. כאשר נערכו מדידות מפורטות של נתונים אסטרונומיים, התברר שמושגים מקוונטים לפיזיקה היה צורך למלא תפקיד חזק יותר בהבנת השלבים המוקדמים והתפתחותם יקום. תחום זה של הקוסמולוגיה התיאורטית, אם כי עדיין ספקולטיבי ביותר, הפך לפורה למדי והוא מכונה לעיתים קוסמולוגיה קוונטית.

פיזיקת הקוונטים הראתה יקום שהיה די קרוב להיות אחיד באנרגיה ובחומר, אך לא היה אחיד לחלוטין. עם זאת, כל תנודות ביקום המוקדם היו מתרחבות מאוד לאורך מיליארדי השנים שהיקום התפשט... והתנודות היו קטנות בהרבה מכפי שניתן היה לצפות. לכן הקוסמולוגים נאלצו למצוא דרך להסביר יקום קדום שאינו אחיד, אך כזה שהיה רק תנודות קטנות במיוחד.

הזן אלן גוט, פיזיקאי חלקיקים שהתמודד עם בעיה זו בשנת 1980 עם התפתחותה של תורת האינפלציה. התנודות ביקום הקדום היו תנודות קוונטיות קלות, אך הן התרחבו במהירות ביקום המוקדם בגלל תקופת התפשטות מהירה במיוחד. תצפיות אסטרונומיות מאז 1980 תמכו בתחזיות תיאוריית האינפלציה וכעת זו השקפת הקונצנזוס בקרב רוב הקוסמולוגים.

אף שהקוסמולוגיה התקדמה הרבה במהלך המאה הקודמת, עדיין ישנם כמה תעלומות פתוחות. למעשה, שתיים מהתעלומות המרכזיות בפיזיקה המודרנית הן הבעיות השולטות בקוסמולוגיה ובאסטרופיזיקה:

• חומר אפל - גלקסיות מסוימות נעות בצורה שלא ניתן להסביר באופן מלא על סמך כמות החומר שהיא שנצפה בתוכם (המכונה "חומר גלוי"), אך ניתן להסביר אם יש עניין בלתי נראה נוסף בתוך ה- גלקסיה. החומר הנוסף הזה, שצפוי לתפוס כ- 25% מהיקום, על סמך המדידות האחרונות, נקרא חומר אפל. בנוסף לתצפיות אסטרונומיות, ניסויים על כדור הארץ כמו חיפוש Cryogenic Dark Matter (CDMS) מנסים להתבונן ישירות בחומר אפל.
• אנרגיה שחורה - בשנת 1998, אסטרונומים ניסו לגלות את קצב האטת היקום... אבל הם גילו שזה לא מאט. למעשה, קצב ההאצה היה מהיר יותר. נראה כי הקבוע הקוסמולוגי של איינשטיין היה צורך בכל זאת, אך במקום להחזיק את היקום כאחד במצב של שיווי משקל, נראה שזה ממש דוחף את הגלקסיות לגזרים בקצב מהיר ומהיר יותר ככל שעובר הזמן ב. לא ידוע בדיוק מה גורם ל"כובד הדוחה "הזה, אבל הפיזיקאים שמו את החומר הזה היא "אנרגיה אפלה". תצפיות אסטרונומיות מנבאות כי אנרגיה אפלה זו מהווה כ -70% מכמות היקום חומר.

יש כמה הצעות נוספות להסביר את התוצאות הלא שגרתיות הללו, כגון Dynamics Newtonian Modified (MOND) ומהירות משתנה של קוסמולוגיה קלה, אך אלטרנטיבות אלה נחשבות לתיאוריות שוליים שאינן מקובלות בקרב פיזיקאים רבים באזור שדה.

ראוי לציין שתיאוריית המפץ הגדול מתארת ​​למעשה את התפתחות היקום מאז זמן קצר לאחר היווצרותו, אך אינו יכול לספק מידע ישיר על מקורו האמיתי של יקום.

אין זה אומר שהפיזיקה לא יכולה לספר לנו דבר על מקורות היקום. כאשר פיזיקאים חוקרים את גודל השטח הקטן ביותר, הם מוצאים כי פיזיקת הקוונטים מביאה ליצירת חלקיקים וירטואליים, כפי שמעידים אפקט קזימיר. למעשה, תיאוריית האינפלציה מנבאת כי בהיעדר חומר ואנרגיה כלשהם, אז המרחב היה מתרחב. על פי ערך נקוב זה, אם כן, נותן למדענים הסבר סביר כיצד יכול היקום להיווצר בתחילה. אם היה "כלום" אמיתי, לא משנה, לא אנרגיה, לא חלל, אז שום דבר לא יהיה יציב ויתחיל לייצר חומר, אנרגיה וזמן חלל מתרחב. זוהי התזה המרכזית של ספרים כמו העיצוב הגדול ו יקום מכלום, אשר מצביעים על כך שניתן להסביר את היקום ללא התייחסות לאלוהי יוצרים על טבעיים.

יהיה קשה להדגיש יתר על המידה את החשיבות הקוסמולוגית, הפילוסופית, ואולי אפילו התיאולוגית בהכרה בכך שכדור הארץ אינו מרכז הקוסמוס. במובן זה, הקוסמולוגיה היא אחד התחומים המוקדמים ביותר שהניחו עדויות שהתנגשו עם השקפת העולם הדתית המסורתית. למעשה, נראה כי כל התקדמות בקוסמולוגיה עפה לנוכח ההנחות היקרות ביותר שנרצה לעשות לגבי מידת האנושות המיוחדת כמין... לפחות מבחינת ההיסטוריה הקוסמולוגית. הקטע הזה מ העיצוב הגדול על ידי סטיבן הוקינג ולאונרד מלודינוב מבהיר ברהיטות את המהפך בחשיבה שהגיע מהקוסמולוגיה:

המודל ההליוצנטרי ההולוצנטרי של ניקולאוס קופרניקוס של מערכת השמש מוכר כהפגנה המדעית המשכנעת הראשונה שאנו בני האדם איננו מוקד הקוסמוס... כעת אנו מבינים כי התוצאה של קופרניקוס היא אך ורק אחת משורה של הרסות מקוננות שמפילות הנחות ארוכות טווח לגבי מעמדה המיוחד של האנושות: אנחנו לא נמצאים במרכז מערכת השמש, אנחנו לא נמצאים במרכז הגלקסיה, אנחנו שאינם ממוקמים במרכז היקום, אנו אפילו לא עשויים מרכיבים כהים המהווים את הרוב המכריע של היקום המסה של היקום. שדרוג קוסמי כזה... מדגימה את מה שמדענים מכנים כיום העיקרון הקופרניקני: בסכמת הדברים המפוארת, כל מה שאנחנו יודעים מצביע על בני אדם שאינם תופסים עמדה מיוחסת.