了解宇宙及其影響

宇宙學(xué)可能是一門(mén)難以處理的學(xué)科,因?yàn)樗?a href="http://m.new863.com/wuli/" title="物理" target="_blank">物理學(xué)中涉及許多其他領(lǐng)域的一個(gè)研究領(lǐng)域。(事實(shí)上,現(xiàn)在幾乎所有的物理學(xué)研究領(lǐng)域都涉及到許多其他領(lǐng)域。)什么是宇宙學(xué)?研究它的人(稱(chēng)為宇宙學(xué)家)實(shí)際上做了什么?有什么證據(jù)支持他們的工作?

宇宙一目了然

宇宙學(xué)是研究宇宙起源和最終命運(yùn)的科學(xué)學(xué)科。它與天文學(xué)和星形物理學(xué)的具體領(lǐng)域關(guān)系最密切,盡管上個(gè)世紀(jì)也使宇宙學(xué)與粒子物理學(xué)的重要見(jiàn)解密切相關(guān)。

換句話說(shuō),我們達(dá)到了一個(gè)迷人的認(rèn)識(shí):

我們對(duì)現(xiàn)代宇宙學(xué)的理解來(lái)自于將我們宇宙中**結(jié)構(gòu)(行星,恒星,宇宙和galaxy簇)的行為與我們宇宙中最小結(jié)構(gòu)的行為聯(lián)系起來(lái)。(基本粒子)。

宇宙史

宇宙學(xué)的研究可能是對(duì)自然界進(jìn)行推測(cè)性研究的最古老的形式之一,它始于歷史上的某個(gè)時(shí)候,當(dāng)一個(gè)古人類(lèi)看著天空時(shí),提出了以下問(wèn)題:

  • 我們?cè)趺磥?lái)這里?宇宙小知識(shí)
  • 夜空里發(fā)生了什么?
  • 我們一個(gè)人在宇宙中嗎?
  • 天空中那些有光澤的東西是什么?

你明白了。

古代人提出了一些很好的嘗試來(lái)解釋這些。西方科學(xué)傳統(tǒng)中最主要的是古希臘人的物理學(xué),他們發(fā)展了一個(gè)全面的宇宙地心模型,這個(gè)模型在幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)一直被提煉到托勒密時(shí)代,此時(shí)宇宙學(xué)確實(shí)沒(méi)有發(fā)展,幾個(gè)世紀(jì)以來(lái),除了一些德國(guó)詳細(xì)介紹系統(tǒng)各個(gè)組件的速度。

這一領(lǐng)域的下一個(gè)重大進(jìn)展來(lái)自于1543年的哥白尼(Nicolaus Copernicus),當(dāng)時(shí)他在他的死者身上發(fā)表了他的天文學(xué)書(shū)籍(預(yù)計(jì)會(huì)引起與天主教會(huì)的爭(zhēng)議),概述了他太陽(yáng)系日心模型的證據(jù)。推動(dòng)這種思維轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵見(jiàn)解是,沒(méi)有真正的理由認(rèn)為地球在物理宇宙中包含一個(gè)基本的特權(quán)地位。這種假設(shè)的變化被稱(chēng)為哥白尼原則。哥白尼'根據(jù)Tycho Brahe,Galileo Galilei和Johannes Kepler的工作,日心模型變得更加流行和接受,他們積累了大量實(shí)驗(yàn)證據(jù)來(lái)支持哥白尼日心模型。

然而,艾薩克·牛頓爵士能夠?qū)⑺羞@些發(fā)現(xiàn)結(jié)合在一起,實(shí)際解釋行星運(yùn)動(dòng)。他有直覺(jué)和洞察力,意識(shí)到落在地球上的物體的運(yùn)動(dòng)類(lèi)似于軌道在地球上的物體的運(yùn)動(dòng)(實(shí)質(zhì)上,這些物體不斷落在地球上附近)。由于這個(gè)動(dòng)作是相似的,他意識(shí)到這可能是由他稱(chēng)之為重力的相同力量引起的。通過(guò)仔細(xì)觀察和開(kāi)發(fā)稱(chēng)為微積分和他的三個(gè)運(yùn)動(dòng)定律的新數(shù)學(xué),牛頓能夠創(chuàng)建在各種情況下描述這種運(yùn)動(dòng)的方程。

雖然牛頓和#39;重力定律用于預(yù)測(cè)天空的運(yùn)動(dòng),但有一個(gè)問(wèn)題。。。這并不清楚它是如何工作的。該理論提出,具有質(zhì)量的物體在空間上相互吸引,但牛頓能夠?yàn)橹亓τ脕?lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的機(jī)制制定科學(xué)的解釋。為了解釋這個(gè)莫名其妙的問(wèn)題,牛頓依賴(lài)于一個(gè)通用的應(yīng)用程序?qū)ι系蹃?lái)說(shuō),基本上,物體以這種方式回應(yīng)上帝'在宇宙中的完美存在。為了獲得物理解釋將等待兩個(gè)多世紀(jì),直到一個(gè)天才的到來(lái),他的智力甚至可以超過(guò)牛頓的智力。

廣義相對(duì)論和大爆炸

牛頓和#39;宇宙學(xué)主導(dǎo)科學(xué),直到二十世紀(jì)初,阿爾伯特·愛(ài)因斯坦發(fā)展了他的廣義相對(duì)論理論,重新定義了對(duì)重力的科學(xué)理解。在愛(ài)因斯坦'新公式中,重力是由于大量物體(如星球,恒星甚至星團(tuán))的存在而引起的四維空間時(shí)間彎曲造成的。

這種新公式的一個(gè)有趣含義是,時(shí)空本身是平衡的't??茖W(xué)家們以相當(dāng)短的時(shí)間意識(shí)到,廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)太空時(shí)間將擴(kuò)大或收縮。相信愛(ài)因斯坦相信宇宙實(shí)際上是永恒的,他在理論中引入了一個(gè)宇宙常數(shù),它提供了一個(gè)抵消擴(kuò)張或收縮的壓力。然而,當(dāng)天文學(xué)家埃德溫·哈布(Edwin Hubble)最終發(fā)現(xiàn)宇宙實(shí)際上在擴(kuò)張時(shí),愛(ài)因斯坦意識(shí)到他'd犯了一個(gè)錯(cuò)誤,并從理論中刪除了宇宙常數(shù)。

如果宇宙正在擴(kuò)張,那么自然的結(jié)論是,如果你要重新布線宇宙,你'd看到它一定是從一小塊密集的物質(zhì)中開(kāi)始的。這個(gè)宇宙如何開(kāi)始的理論被稱(chēng)為“大爆炸理論”。這是二十世紀(jì)中葉一個(gè)有爭(zhēng)議的理論,因?yàn)樗鼱?zhēng)奪對(duì)Fred Hoyle'穩(wěn)態(tài)理論的支配。然而,1965年宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)證實(shí)了與大爆炸有關(guān)的預(yù)測(cè),因此它在物理學(xué)家中被廣泛接受。

雖然他在穩(wěn)態(tài)理論上被證明是錯(cuò)誤的,但Hoyle被認(rèn)為是恒星核合成理論的主要發(fā)展,這是氫和其他輕原子在稱(chēng)為恒星的核坩堝內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)檩^重原子的理論,并且吐出在恒星上進(jìn)入宇宙's死亡。然后,這些較重的原子繼續(xù)形成水,行星,最終形成地球上的生命,包括人類(lèi)!因此,用許多令人敬畏的宇宙學(xué)家的話來(lái)說(shuō),我們都是由星塵形成的。

教育_1

無(wú)論如何,回到宇宙的演化。隨著科學(xué)家獲得關(guān)于宇宙的更多信息并更仔細(xì)地測(cè)量宇宙微波背景輻射,出現(xiàn)了一個(gè)問(wèn)題。隨著對(duì)天文數(shù)據(jù)的詳細(xì)測(cè)量,很明顯量子物理學(xué)的概念需要在理解宇宙的早期階段和演化過(guò)程中發(fā)揮更強(qiáng)的作用。這個(gè)理論宇宙學(xué)領(lǐng)域雖然仍然是高度推測(cè)性的,但已經(jīng)變得相當(dāng)肥沃,有時(shí)被稱(chēng)為量子宇宙學(xué)。

量子物理學(xué)顯示出一個(gè)非常接近能量和物質(zhì)均勻但不完全均勻的宇宙。然而,早期宇宙的任何波動(dòng)都會(huì)在宇宙擴(kuò)張的數(shù)十億年內(nèi)**擴(kuò)展。。。而且波動(dòng)遠(yuǎn)小于人們的預(yù)期。因此,宇宙學(xué)家必須找出一種方法來(lái)解釋一個(gè)不均勻的早期宇宙,但是其中只有95>極小的波動(dòng)。

進(jìn)入Alan Guth,一位粒子物理學(xué)家,他在1980年隨著通貨膨脹理論的發(fā)展解決了這個(gè)問(wèn)題。早期宇宙中的波動(dòng)是微小的量子波動(dòng),但由于超快速的膨脹周期,它們?cè)谠缙谟钪嬷醒杆贁U(kuò)展。自1980年以來(lái)的天文觀測(cè)支持了通貨膨脹理論的預(yù)測(cè),現(xiàn)在它已成為人們的共識(shí)觀點(diǎn)大多數(shù)宇宙學(xué)家。

現(xiàn)代宇宙學(xué)的奧秘

雖然宇宙學(xué)在上個(gè)世紀(jì)取得了很大進(jìn)展,但仍有一些未解之謎。事實(shí)上,現(xiàn)代物理學(xué)的兩個(gè)中心謎團(tuán)是宇宙學(xué)和星形物理學(xué)中的主要問(wèn)題:

  • 暗物質(zhì)-一些星團(tuán)正在以一種無(wú)法根據(jù)它們內(nèi)部觀察到的物質(zhì)數(shù)量完全解釋的方式移動(dòng)(稱(chēng)為"可見(jiàn)物質(zhì)"),但如果存在可以解釋在galaxy中有一個(gè)額外的看不見(jiàn)的物質(zhì)。根據(jù)最近的測(cè)量,這個(gè)額外的物質(zhì)被稱(chēng)為暗物質(zhì),預(yù)計(jì)將占宇宙的25%。除了天文觀測(cè)之外,地球上的實(shí)驗(yàn),如低溫暗物質(zhì)搜索(CDMS)正試圖直接觀察暗物質(zhì)。
  • 暗能量-1998年,天文學(xué)家試圖檢測(cè)宇宙的速度正在放緩。。。但他們發(fā)現(xiàn)它不是't放緩。事實(shí)上,加速率正在加快。畢竟似乎愛(ài)因斯坦和#39;宇宙常數(shù)是需要的,但實(shí)際上似乎并沒(méi)有把宇宙視為一種平衡狀態(tài),而是隨著時(shí)間的推移以越來(lái)越快的速度將宇宙分開(kāi)。它'不知道究竟是什么原因造成這種情況"排斥重力,"但物理學(xué)家給該物質(zhì)的名字是"暗能量。"天文觀測(cè)預(yù)測(cè),這種暗能量構(gòu)成了宇宙的約70%'s物質(zhì)。

還有一些其他的建議來(lái)解釋這些不尋常的結(jié)果,如修正的牛頓動(dòng)力學(xué)(MOND)和光速宇宙學(xué),但這些替代方案被認(rèn)為是邊緣理論,在該領(lǐng)域的許多物理學(xué)家中都不被接受。

宇宙的起源

值得注意的是,大爆炸理論a實(shí)際上描述了宇宙自創(chuàng)建后不久就發(fā)展起來(lái)的方式,但無(wú)法提供有關(guān)宇宙實(shí)際起源的任何直接信息。

這不是'說(shuō)物理學(xué)不能告訴我們宇宙的起源。當(dāng)物理學(xué)家探索最小規(guī)模的空間時(shí),他們發(fā)現(xiàn)量子物理學(xué)導(dǎo)致虛擬粒子的產(chǎn)生,正如卡西米爾效應(yīng)所證明的那樣。事實(shí)上,通貨膨脹理論預(yù)測(cè),在沒(méi)有任何物質(zhì)或能源的情況下,那么時(shí)空將會(huì)擴(kuò)大。從表面上看,這為科學(xué)家們提供了一個(gè)合理的解釋?zhuān)f(shuō)明宇宙最初是如何形成的。如果有一個(gè)真的"沒(méi)有",無(wú)論是沒(méi)有能量,沒(méi)有空間時(shí)間,那么什么都不會(huì)不穩(wěn)定,并且會(huì)開(kāi)始產(chǎn)生物質(zhì),能量和擴(kuò)大的空間時(shí)間。這是書(shū)籍的核心論點(diǎn),例如the Grand DesignA Universe From No,它們假定宇宙可以在不參考上清液創(chuàng)建者神志不清的情況下進(jìn)行解釋。

人類(lèi)'在宇宙學(xué)中的作用

認(rèn)識(shí)到地球不是宇宙的中心,這將很難過(guò)分強(qiáng)調(diào)宇宙學(xué),哲學(xué)甚至神學(xué)的重要性。從這個(gè)意義上說(shuō),宇宙學(xué)是最早產(chǎn)生與傳統(tǒng)宗教世界觀相沖突的證據(jù)之一。事實(shí)上,宇宙學(xué)的每一項(xiàng)進(jìn)步似乎都是面對(duì)我們最珍貴的假設(shè),我們希望讓人類(lèi)作為一個(gè)物種有多特殊。。。至少在宇宙史方面。Stephen Hawking和Leonard Mlodinow雄辯地闡述了來(lái)自宇宙學(xué)的思維轉(zhuǎn)變:

Nicolaus Copernicus'太陽(yáng)系的日心模型被公認(rèn)為第一個(gè)令人信服的科學(xué)研究我們?nèi)祟?lèi)不是宇宙的焦點(diǎn)。。。。我們現(xiàn)在意識(shí)到哥白尼'結(jié)果只是一系列嵌套降級(jí)中的一個(gè),推翻了有關(guān)人類(lèi)的長(zhǎng)期假設(shè)'特殊狀態(tài):我們'不位于太陽(yáng)系的中心,我們'不位于宇宙的中心,我們'不位于宇宙的中心,我們'甚至沒(méi)有制成構(gòu)成宇宙絕大多數(shù)的黑暗成分##39;質(zhì)量。這樣宇宙降級(jí)。。。舉例說(shuō)明科學(xué)家現(xiàn)在所說(shuō)的哥白尼原則:在偉大的事物計(jì)劃中,我們所知道的一切都指向人類(lèi)不占據(jù)特權(quán)地位。