Kosmologie und ihre Auswirkungen verstehen

Die Kosmologie kann eine schwierige Disziplin sein, da sie ein Forschungsgebiet innerhalb der Physik ist, das viele andere Bereiche berührt. (Obwohl heutzutage so ziemlich alle Fächer der Physik viele andere Bereiche berühren.) Was ist Kosmologie? Was machen die Leute, die es studieren (sogenannte Kosmologen)? Welche Beweise gibt es, um ihre Arbeit zu unterstützen?

Kosmologie auf einen Blick

Kosmologie ist die Disziplin der Wissenschaft, die den Ursprung und das Schicksal des Universums untersucht. Es ist am engsten mit den spezifischen Gebieten der Astronomie und Astrophysik verwandt, obwohl das letzte Jahrhundert auch die Kosmologie eng mit den Schlüsselerkenntnissen der Teilchenphysik in Einklang gebracht hat.

Mit anderen Worten, wir erreichen eine faszinierende Erkenntnis:

Unser Verständnis der modernen Kosmologie ergibt sich aus der Verknüpfung des Verhaltens der größten Strukturen in unserem Universum (Planeten, Sterne, Galaxien und Galaxienhaufen) zusammen mit denen der kleinste Strukturen in unserem Universum (fundamentale Teilchen).

Geschichte der Kosmologie

Das Studium der Kosmologie ist wahrscheinlich eine der ältesten Formen der spekulativen Erforschung der Natur, und es begann irgendwann in der Geschichte, als ein uralter Mensch in den Himmel blickte und Fragen stellte wie die folgenden:

• Wie sind wir hierher gekommen??
• Was passiert am Nachthimmel??
• Sind wir alleine im Universum??
• Was sind das für glänzende Dinge am Himmel??

Du hast die Idee.

Die Alten hatten einige recht gute Versuche, diese zu erklären. In der wissenschaftlichen Tradition des Westens steht die Physik der alten Griechen im Vordergrund, die ein umfassendes geozentrisches Modell des Universums entwickelte, das im Laufe der Jahrhunderte bis zur Zeit des Ptolemäus weiterentwickelt wurde. Zu diesem Zeitpunkt entwickelte sich die Kosmologie mehrere Jahrhunderte lang nicht weiter , außer in einigen Details über die Geschwindigkeiten der verschiedenen Komponenten des Systems.

Der nächste große Fortschritt in diesem Bereich kam von Nicolaus Copernicus im Jahr 1543, als er sein Astronomiebuch auf seinem Sterbebett veröffentlichte (in der Erwartung, dass es zu Kontroversen mit der katholischen Kirche führen würde) und die Beweise für sein heliozentrisches Modell des Sonnensystems darlegte. Die Schlüsselerkenntnis, die diese Veränderung im Denken motivierte, war die Vorstellung, dass es keinen wirklichen Grund gab anzunehmen, dass die Erde eine grundlegend privilegierte Position innerhalb des physischen Kosmos einnimmt. Diese Änderung der Annahmen wird als kopernikanisches Prinzip bezeichnet. Das heliozentrische Modell von Copernicus wurde aufgrund der Arbeiten von Tycho Brahe, Galileo Galilei und Johannes Kepler, die umfangreiche experimentelle Beweise für das heliozentrische Modell von Copernicus sammelten, noch beliebter und anerkannter.

Es war jedoch Sir Isaac Newton, der all diese Entdeckungen zusammenbrachte, um die Planetenbewegungen tatsächlich zu erklären. Er hatte die Intuition und die Einsicht, zu erkennen, dass die Bewegung von auf die Erde fallenden Objekten der Bewegung von Objekten ähnlich war, die die Erde umkreisen (im Wesentlichen fallen diese Objekte kontinuierlich um die Erde). Da diese Bewegung ähnlich war, erkannte er, dass sie wahrscheinlich durch dieselbe Kraft verursacht wurde, die er Schwerkraft nannte. Durch sorgfältige Beobachtung und die Entwicklung der neuen Mathematik namens Kalkül und seiner drei Bewegungsgesetze gelang es Newton, Gleichungen zu erstellen, die diese Bewegung in einer Vielzahl von Situationen beschreiben.

Obwohl Newtons Gravitationsgesetz die Bewegung des Himmels vorhersagte, gab es ein Problem… es war nicht genau klar, wie es funktionierte. Die Theorie besagte, dass sich Objekte mit Masse über den Raum hinweg anziehen, aber Newton war nicht in der Lage, eine wissenschaftliche Erklärung für den Mechanismus zu entwickeln, mit dem die Schwerkraft dies erreichte. Um das Unerklärliche zu erklären, stützte sich Newton auf einen generischen Appell an Gott. Im Grunde verhalten sich Objekte so als Reaktion auf Gottes vollkommene Gegenwart im Universum. Eine physikalische Erklärung zu erhalten, würde über zwei Jahrhunderte warten, bis ein Genie auftauchte, dessen Intellekt sogar den von Newton in den Schatten stellen könnte.

Allgemeine Relativitätstheorie und Urknall

Newtons Kosmologie beherrschte die Wissenschaft bis zum Beginn des 20. Jahrhunderts, als Albert Einstein seine allgemeine Relativitätstheorie entwickelte, die das wissenschaftliche Verständnis der Schwerkraft neu definierte. In Einsteins neuer Formulierung wurde die Schwerkraft durch die Biegung der vierdimensionalen Raumzeit als Reaktion auf die Anwesenheit eines massiven Objekts wie eines Planeten, eines Sterns oder sogar einer Galaxie verursacht.

Eine der interessanten Implikationen dieser neuen Formulierung war, dass die Raumzeit selbst nicht im Gleichgewicht war. In relativ kurzer Zeit erkannten die Wissenschaftler, dass die allgemeine Relativitätstheorie vorhersagte, dass sich die Raumzeit entweder ausdehnen oder zusammenziehen würde. Glauben Sie, dass Einstein glaubte, dass das Universum tatsächlich ewig sei, führte er eine kosmologische Konstante in die Theorie ein, die einen Druck bereitstellte, der der Expansion oder Kontraktion entgegenwirkt. Als der Astronom Edwin Hubble jedoch entdeckte, dass sich das Universum tatsächlich ausdehnte, erkannte Einstein, dass er einen Fehler gemacht hatte, und entfernte die kosmologische Konstante aus der Theorie.

Wenn sich das Universum ausdehnt, ist die natürliche Schlussfolgerung, dass Sie, wenn Sie das Universum zurückspulen würden, sehen würden, dass es in einem winzigen, dichten Klumpen von Materie begonnen haben muss. Diese Theorie, wie das Universum begann, wurde Urknalltheorie genannt. Dies war eine umstrittene Theorie in den mittleren Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts, da sie um die Vorherrschaft gegen Fred Hoyles Beharrungstheorie kämpfte. Die Entdeckung der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung im Jahr 1965 bestätigte jedoch eine Vorhersage, die in Bezug auf den Urknall getroffen worden war, so dass sie unter Physikern weithin akzeptiert wurde.

Obwohl er sich in Bezug auf die Steady-State-Theorie als falsch erwiesen hat, werden Hoyle die wichtigsten Entwicklungen in der Theorie der stellaren Nukleosynthese zugeschrieben, bei der es sich um die Theorie handelt, dass Wasserstoff und andere leichte Atome in den als Sterne bezeichneten Kerntiegeln zu schwereren Atomen umgewandelt und ausgespuckt werden in das Universum nach dem Tod des Sterns. Diese schwereren Atome formen sich dann zu Wasser, Planeten und letztendlich zum Leben auf der Erde, einschließlich des Menschen! Nach den Worten vieler ehrfürchtiger Kosmologen sind wir alle aus Sternenstaub geformt.