了解宇宙及其影响

宇宙学可能是一门难以处理的学科,因为它是物理学中涉及许多其他领域的一个研究领域。(事实上,现在几乎所有的物理学研究领域都涉及到许多其他领域。)什么是宇宙学?研究它的人(称为宇宙学家)实际上做了什么?有什么证据支持他们的工作?

宇宙一目了然

宇宙学是研究宇宙起源和最终命运的科学学科。它与天文学和星形物理学的具体领域关系最密切,尽管上个世纪也使宇宙学与粒子物理学的重要见解密切相关。

换句话说,我们达到了一个迷人的认识:

我们对现代宇宙学的理解来自于将我们宇宙中**结构(行星,恒星,宇宙和galaxy簇)的行为与我们宇宙中最小结构的行为联系起来。(基本粒子)。

宇宙史

宇宙学的研究可能是对自然界进行推测性研究的最古老的形式之一,它始于历史上的某个时候,当一个古人类看着天空时,提出了以下问题:

  • 我们怎么来这里?宇宙小知识
  • 夜空里发生了什么?
  • 我们一个人在宇宙中吗?
  • 天空中那些有光泽的东西是什么?

你明白了。

古代人提出了一些很好的尝试来解释这些。西方科学传统中最主要的是古希腊人的物理学,他们发展了一个全面的宇宙地心模型,这个模型在几个世纪以来一直被提炼到托勒密时代,此时宇宙学确实没有发展,几个世纪以来,除了一些德国详细介绍系统各个组件的速度。

这一领域的下一个重大进展来自于1543年的哥白尼(Nicolaus Copernicus),当时他在他的死者身上发表了他的天文学书籍(预计会引起与天主教会的争议),概述了他太阳系日心模型的证据。推动这种思维转变的关键见解是,没有真正的理由认为地球在物理宇宙中包含一个基本的特权地位。这种假设的变化被称为哥白尼原则。哥白尼'根据Tycho Brahe,Galileo Galilei和Johannes Kepler的工作,日心模型变得更加流行和接受,他们积累了大量实验证据来支持哥白尼日心模型。

然而,艾萨克·牛顿爵士能够将所有这些发现结合在一起,实际解释行星运动。他有直觉和洞察力,意识到落在地球上的物体的运动类似于轨道在地球上的物体的运动(实质上,这些物体不断落在地球上附近)。由于这个动作是相似的,他意识到这可能是由他称之为重力的相同力量引起的。通过仔细观察和开发称为微积分和他的三个运动定律的新数学,牛顿能够创建在各种情况下描述这种运动的方程。

虽然牛顿和#39;重力定律用于预测天空的运动,但有一个问题。。。这并不清楚它是如何工作的。该理论提出,具有质量的物体在空间上相互吸引,但牛顿能够为重力用来实现这一目标的机制制定科学的解释。为了解释这个莫名其妙的问题,牛顿依赖于一个通用的应用程序对上帝来说,基本上,物体以这种方式回应上帝'在宇宙中的完美存在。为了获得物理解释将等待两个多世纪,直到一个天才的到来,他的智力甚至可以超过牛顿的智力。

广义相对论和大爆炸

牛顿和#39;宇宙学主导科学,直到二十世纪初,阿尔伯特·爱因斯坦发展了他的广义相对论理论,重新定义了对重力的科学理解。在爱因斯坦'新公式中,重力是由于大量物体(如星球,恒星甚至星团)的存在而引起的四维空间时间弯曲造成的。

这种新公式的一个有趣含义是,时空本身是平衡的't。科学家们以相当短的时间意识到,广义相对论预测太空时间将扩大或收缩。相信爱因斯坦相信宇宙实际上是永恒的,他在理论中引入了一个宇宙常数,它提供了一个抵消扩张或收缩的压力。然而,当天文学家埃德温·哈布(Edwin Hubble)最终发现宇宙实际上在扩张时,爱因斯坦意识到他'd犯了一个错误,并从理论中删除了宇宙常数。

如果宇宙正在扩张,那么自然的结论是,如果你要重新布线宇宙,你'd看到它一定是从一小块密集的物质中开始的。这个宇宙如何开始的理论被称为“大爆炸理论”。这是二十世纪中叶一个有争议的理论,因为它争夺对Fred Hoyle'稳态理论的支配。然而,1965年宇宙微波背景辐射的发现证实了与大爆炸有关的预测,因此它在物理学家中被广泛接受。

虽然他在稳态理论上被证明是错误的,但Hoyle被认为是恒星核合成理论的主要发展,这是氢和其他轻原子在称为恒星的核坩埚内转变为较重原子的理论,并且吐出在恒星上进入宇宙's死亡。然后,这些较重的原子继续形成水,行星,最终形成地球上的生命,包括人类!因此,用许多令人敬畏的宇宙学家的话来说,我们都是由星尘形成的。

教育_1

无论如何,回到宇宙的演化。随着科学家获得关于宇宙的更多信息并更仔细地测量宇宙微波背景辐射,出现了一个问题。随着对天文数据的详细测量,很明显量子物理学的概念需要在理解宇宙的早期阶段和演化过程中发挥更强的作用。这个理论宇宙学领域虽然仍然是高度推测性的,但已经变得相当肥沃,有时被称为量子宇宙学。

量子物理学显示出一个非常接近能量和物质均匀但不完全均匀的宇宙。然而,早期宇宙的任何波动都会在宇宙扩张的数十亿年内**扩展。。。而且波动远小于人们的预期。因此,宇宙学家必须找出一种方法来解释一个不均匀的早期宇宙,但是其中只有95>极小的波动。

进入Alan Guth,一位粒子物理学家,他在1980年随着通货膨胀理论的发展解决了这个问题。早期宇宙中的波动是微小的量子波动,但由于超快速的膨胀周期,它们在早期宇宙中迅速扩展。自1980年以来的天文观测支持了通货膨胀理论的预测,现在它已成为人们的共识观点大多数宇宙学家。

现代宇宙学的奥秘

虽然宇宙学在上个世纪取得了很大进展,但仍有一些未解之谜。事实上,现代物理学的两个中心谜团是宇宙学和星形物理学中的主要问题:

  • 暗物质-一些星团正在以一种无法根据它们内部观察到的物质数量完全解释的方式移动(称为"可见物质"),但如果存在可以解释在galaxy中有一个额外的看不见的物质。根据最近的测量,这个额外的物质被称为暗物质,预计将占宇宙的25%。除了天文观测之外,地球上的实验,如低温暗物质搜索(CDMS)正试图直接观察暗物质。
  • 暗能量-1998年,天文学家试图检测宇宙的速度正在放缓。。。但他们发现它不是't放缓。事实上,加速率正在加快。毕竟似乎爱因斯坦和#39;宇宙常数是需要的,但实际上似乎并没有把宇宙视为一种平衡状态,而是随着时间的推移以越来越快的速度将宇宙分开。它'不知道究竟是什么原因造成这种情况"排斥重力,"但物理学家给该物质的名字是"暗能量。"天文观测预测,这种暗能量构成了宇宙的约70%'s物质。

还有一些其他的建议来解释这些不寻常的结果,如修正的牛顿动力学(MOND)和光速宇宙学,但这些替代方案被认为是边缘理论,在该领域的许多物理学家中都不被接受。

宇宙的起源

值得注意的是,大爆炸理论a实际上描述了宇宙自创建后不久就发展起来的方式,但无法提供有关宇宙实际起源的任何直接信息。

这不是'说物理学不能告诉我们宇宙的起源。当物理学家探索最小规模的空间时,他们发现量子物理学导致虚拟粒子的产生,正如卡西米尔效应所证明的那样。事实上,通货膨胀理论预测,在没有任何物质或能源的情况下,那么时空将会扩大。从表面上看,这为科学家们提供了一个合理的解释,说明宇宙最初是如何形成的。如果有一个真的"没有",无论是没有能量,没有空间时间,那么什么都不会不稳定,并且会开始产生物质,能量和扩大的空间时间。这是书籍的核心论点,例如the Grand DesignA Universe From No,它们假定宇宙可以在不参考上清液创建者神志不清的情况下进行解释。

人类'在宇宙学中的作用

认识到地球不是宇宙的中心,这将很难过分强调宇宙学,哲学甚至神学的重要性。从这个意义上说,宇宙学是最早产生与传统宗教世界观相冲突的证据之一。事实上,宇宙学的每一项进步似乎都是面对我们最珍贵的假设,我们希望让人类作为一个物种有多特殊。。。至少在宇宙史方面。Stephen Hawking和Leonard Mlodinow雄辩地阐述了来自宇宙学的思维转变:

Nicolaus Copernicus'太阳系的日心模型被公认为**个令人信服的科学研究我们人类不是宇宙的焦点。。。。我们现在意识到哥白尼'结果只是一系列嵌套降级中的一个,推翻了有关人类的长期假设'特殊状态:我们'不位于太阳系的中心,我们'不位于宇宙的中心,我们'不位于宇宙的中心,我们'甚至没有制成构成宇宙绝大多数的黑暗成分##39;质量。这样宇宙降级。。。举例说明科学家现在所说的哥白尼原则:在伟大的事物计划中,我们所知道的一切都指向人类不占据特权地位。