Selama ribuan tahun, manusia telah menyaksikan bintang dan bertanya-tanya bagaimana alam semesta menjadi. Tetapi tidak sampai bertahun-tahun Perang Dunia I bahawa para penyelidik membangunkan instrumen pemerhatian pertama dan alat teori untuk mengubah soalan-soalan besar ke dalam bidang pengajian yang tepat: kosmologi.
"Saya fikir kosmologi sebagai salah satu mata pelajaran tertua dari minat manusia tetapi sebagai salah satu ilmu terbaru," kata Paul Steinhardt, ahli kosmologi di Princeton University yang mengkaji sama ada masa mempunyai permulaan.
Kosmologi, secara ringkas, mengkaji kosmos sebagai satu entiti, dan tidak menganalisis secara berasingan bintang, lubang hitam dan galaksi yang mengisinya. Bidang ini menanyakan soalan-soalan besar: Di manakah alam semesta berasal? Mengapa ia mempunyai bintang, galaksi dan kelompok galaksi? Apa yang akan berlaku seterusnya? "Kosmologi cuba membuat gambaran yang sangat besar tentang alam semesta," kata Glennys Farrar, ahli fizik zarah di New York University.
Oleh kerana disiplin ini bergulat dengan banyak fenomena, dari zarah-zarah dalam vakum hingga ke ruang dan waktu, kosmologi banyak menarik banyak bidang, termasuk astronomi, astrofizik dan, semakin fisika zarah.
"Kosmologi mempunyai bahagian-bahagian yang sepenuhnya dalam fizik, bahagian-bahagian yang sepenuhnya di astrofizik, dan bahagian-bahagian yang berulang-alik," kata Steinhardt. "Itu sebahagian daripada keseronokan."
Sejarah sejarah alam semesta
Sifat interdisipliner padang membantu menjelaskan permulaan yang agak lewat. Gambar moden alam semesta kami mula berkumpul hanya pada tahun 1920-an, sejurus selepas Albert Einstein mengembangkan teori relativiti umum, rangka kerja matematik yang menggambarkan graviti sebagai akibat dari membongkok ruang dan waktu.
"Sebelum anda memahami sifat graviti, anda tidak boleh benar-benar membuat teori tentang mengapa keadaannya seperti itu," kata Steinhardt. Daya lain mempunyai kesan yang lebih besar pada zarah, tetapi graviti adalah pemain utama dalam arena planet, bintang dan galaksi. Deskripsi graviti Isaac Newton sering bekerja di alam itu juga, tetapi ia memperlakukan ruang (dan waktu) sebagai latar belakang yang tegar dan tidak berubah yang mengukur peristiwa. Kerja Einstein menunjukkan bahawa ruang itu sendiri boleh berkembang dan berkontrak, memindahkan alam semesta dari pentas ke pelakon dan membawanya ke dalam pergaduhan sebagai objek dinamik untuk belajar.
Pada pertengahan 1920-an, ahli astronomi Edwin Hubble membuat pemerhatian dari teleskop Hooker 100 inci (254 sentimeter) yang baru dibina di Balai Cerap Mount Wilson di California. Dia cuba menyelesaikan perdebatan tentang lokasi awan tertentu di angkasa yang dapat dilihat para astronom. Hubble membuktikan bahawa "nebula" ini bukanlah awan tempatan, tetapi sebaliknya besarnya, kelompok bintang yang jauh sama dengan Bima Sakti kita sendiri - "alam semesta pulau" pada masa itu. Hari ini, kita panggil mereka galaksi dan tahu bahawa mereka nombor dalam trilion.
Gempa terbesar dalam perspektif kosmik belum lagi datang. Kerja-kerja Hubble pada akhir 1920-an mencadangkan agar galaksi di setiap arah memperlancar diri kita, memicu perdebatan selanjutnya selama bertahun-tahun. Pengukuran masa depan latar gelombang mikro kosmik (CMB) - cahaya yang tersisa dari tahun-tahun awal alam semesta dan sejak diregangkan menjadi gelombang mikro - pada 1960-an membuktikan bahawa realiti sepadan dengan salah satu kemungkinan yang dicadangkan oleh relativiti umum: Bermula kecil dan panas, alam semesta Sejak itu semakin besar dan lebih sejuk. Konsep ini dikenali sebagai teori Big Bang, dan ia menggegarkan kosmologi kerana ia menyiratkan bahawa alam semesta juga boleh mempunyai permulaan dan penghujungnya.
Tetapi sekurang-kurangnya para ahli astronomi dapat melihat gerak galaksi di teleskop mereka. Salah satu pergeseran paling seismik kosmologi, kata Farrar, adalah idea bahawa kebanyakan barangan di luar sana dibuat sesuatu yang lain, sesuatu yang tidak dapat dilihat sepenuhnya. Bahan yang kita dapat lihat berjumlah sedikit lebih daripada kesalahan pembundaran kosmik - hanya kira-kira 5% daripada segala-galanya di alam semesta.
Penghuni pertama dari 95% alam semesta yang lain, apa yang dikenali sebagai "sektor gelap", memelihara kepalanya pada tahun 1970-an. Pada masa itu, ahli astronomi Vera Rubin menyedari bahawa galaxies berkeliaran dengan pantas supaya mereka berputar. Lebih daripada perkara yang sukar dilihat, Farrar berkata, perkara yang menjaga galaksi bersama harus menjadi sesuatu yang tidak diketahui sepenuhnya oleh ahli fizik, sesuatu yang - kecuali untuk tarikan graviti - sepenuhnya mengabaikan perkara biasa dan cahaya. Pemetaan kemudian menunjukkan bahawa galaksi yang kita lihat hanyalah nukleus di tengah-tengah sfera "perkara gelap". Filamen-fabrik bahan kelihatan yang merentangi alam semesta menggantung pada bingkai gelap yang melampaui zarah-zarah yang kelihatan lima hingga satu.
Teleskop Angkasa Hubble kemudian membongkar tanda-tanda pelbagai tenaga yang tidak dijangka - yang mana kosmologi sekarang mengatakan kira-kira 70% alam semesta yang tersisa selepas menyumbang kepada perkara gelap (25%) dan perkara yang kelihatan (5%) - pada tahun 1990-an, mencatat perkembangan alam semesta sebagai mempercepatkan seperti kereta api yang melarikan diri. "Tenaga gelap," mungkin sejenis tenaga yang melekat pada ruang itu sendiri, mendorong alam semesta lebih cepat daripada graviti yang dapat menarik alam semesta. Dalam satu trilion tahun, mana-mana ahli astronomi yang tersisa di Bima Sakti akan mendapati diri mereka di alam semesta pulau sejati, yang diliputi kegelapan.
"Kami berada di titik peralihan dalam sejarah alam semesta, dari mana ia dikuasai oleh perkara di mana ia dikuasai oleh satu bentuk tenaga baru," kata Steinhardt. "Perkara gelap menentukan masa lalu kita. Tenaga gelap akan menentukan masa depan kita."
Kosmologi moden dan masa depan
Pakej kosmologi semasa ini menemui penemuan penting dalam pencapaian tertinggi, model Lambda-CDM. Kadang-kadang disebut model kosmologi standard, kumpulan persamaan ini menggambarkan alam semesta dari kira-kira kedua yang pertama. Model ini menganggap sejumlah tenaga gelap (lambda, untuk perwakilannya dalam kerelatifan umum) dan perkara gelap gelap (CDM) dan membuat tipu yang sama tentang jumlah bahan yang kelihatan, bentuk alam semesta dan ciri-ciri lain, semuanya ditentukan oleh eksperimen dan pemerhatian.
Mainkan filem bayi-semesta ke hadapan 13.8 bilion tahun, dan para ahli kosmologi mendapat gambaran bahawa "secara statistik mempunyai segala-galanya yang dapat kita saksikan hingga ke titik tertentu," kata Steinhardt. Model ini mewakili sasaran untuk ditewaskan sebagai ahli kosmologi mendorong penerangan mereka tentang alam semesta yang lebih mendalam ke masa lalu dan ke masa depan.
Sebagaimana berjaya sebagai Lambda-CDM, ia masih mempunyai banyak kinks yang perlu bekerja. Ahli kaji kosmologi mendapat hasil yang bercanggah apabila mereka cuba mengkaji perkembangan semasa alam semesta, bergantung kepada sama ada mereka mengukurnya secara langsung di dalam galaksi berdekatan atau menyimpulkannya dari CMB. Model ini tidak mengatakan apa-apa mengenai solek bahan gelap atau tenaga, sama ada.
Kemudian ada yang pertama yang menyulitkan pertama kewujudan, ketika alam semesta mungkin pergi dari specs infinitesimal untuk relativistically baik berkelakuan gelembung. "Inflasi" adalah teori popular yang cuba untuk mengendalikan tempoh ini, menjelaskan bagaimana momen singkat pengembangan lebih cepat melancarkan variasi primitif minuscule ke dalam ketidakseimbangan skala besar galaksi hari ini, serta bagaimana input Lambda-CDM mendapat nilai-nilai mereka .
Tidak seorang pun tahu bagaimana inflasi bekerja secara terperinci, bagaimanapun, atau mengapa ia berhenti di mana ia mungkin dilakukan. Steinhardt berkata bahawa inflasi sepatutnya diteruskan di banyak ruang angkasa, menyiratkan bahawa alam semesta kita hanyalah satu keping "multiverse" yang mengandungi setiap realiti fizikal yang mungkin - idea yang tidak dapat disangkal bahawa banyak eksperimentis mendapati kerumitan.
Untuk membuat kemajuan terhadap soalan-soalan seperti ini, pakar kosmologi melihat pengukuran ketepatan dari teleskop berasaskan angkasa seperti Teleskop Angkasa Hubble dan Teleskop Angkasa James Webb yang akan datang, serta eksperimen dalam bidang geografi gelombang graviti yang baru muncul, seperti Yayasan Sains Negara Observatori Gelombang Gravitational Laser Interferometer. Ahli kaji kosmologi turut menyertai fizik zarah dan ahli astrofizik dalam perlumbaan antara disiplin untuk mengesan zarah-zarah perkara gelap.
Sama seperti kosmologi tidak dapat dimulakan sehingga cabang-cabang fizik lain telah matang, ia tidak akan dapat menyelesaikan mendedahkan sejarah alam semesta sehingga kawasan-kawasan lain lebih lengkap. "Untuk mendapatkan cerita secara lurus, anda perlu bekerja pada dasarnya semua undang-undang fizik di semua skala tenaga dan pada semua keadaan, "kata Steinhardt. "Dan perubahan dalam salah satu daripada mereka secara radikal boleh mengubah kisah kosmologi."
Farrar berkata dia tidak tahu sama ada itu akan berlaku tetapi keajaiban bahawa orang telah memahami kompleksiti alam semesta seperti yang mereka ada. "Sungguh mengagumkan bahawa otak manusia telah berkembang sehingga titik soalan-soalan ini dapat dijawab," katanya. "Ada di antara mereka sekurang-kurangnya."
Tambahan sumber:
