Comprendre la cosmologie et son impact

La cosmologie peut être une discipline difficile à maîtriser, car c'est un domaine d'étude en physique qui touche à de nombreux autres domaines. (Bien qu'en réalité, de nos jours, presque tous les domaines d'études en physique touchent à de nombreux autres domaines.) Qu'est-ce que la cosmologie? Que font réellement les personnes qui l’étudient (appelées cosmologistes)? Quelles preuves existent pour soutenir leur travail?

Cosmologie est la discipline de la science qui étudie l'origine et le destin éventuel de l'univers. Il est le plus étroitement lié aux domaines spécifiques de l'astronomie et de l'astrophysique, bien que le siècle dernier ait également rapproché la cosmologie des idées clés de la physique des particules.

En d'autres termes, nous atteignons une réalisation fascinante:

Notre compréhension de la cosmologie moderne vient de la connexion du comportement du le plus grand les structures de notre univers (planètes, étoiles, galaxies et amas de galaxies) avec celles des le plus petit structures de notre univers (particules fondamentales).

L'étude de la cosmologie est probablement l'une des plus anciennes formes d'enquête spéculative sur la nature, et elle a commencé à un moment donné de l'histoire quand un ancien humain regarda vers le ciel, posa des questions telles que Suivant:

• Comment en sommes-nous venus à être ici?
• Que se passe-t-il dans le ciel nocturne?
• Sommes nous seuls dans l'univers?
• Quelles sont ces choses brillantes dans le ciel?

Vous avez eu l'idée.

Les anciens ont proposé de très bonnes tentatives pour les expliquer. Le principal de ceux-ci dans la tradition scientifique occidentale est le physique des anciens Grecs, qui a développé un modèle géocentrique complet de l'univers qui a été affiné au cours des siècles jusqu'à l'époque de Ptolémée, à quel point la cosmologie ne s'est vraiment pas développée davantage pendant plusieurs siècles, sauf dans certains détails sur les vitesses des divers composants de la système.

La prochaine avancée majeure dans ce domaine est venue de Nicolaus Copernicus en 1543, quand il a publié son livre d'astronomie sur son lit de mort (anticipant que cela provoquerait une controverse avec l'Église catholique), décrivant les preuves de son modèle héliocentrique du solaire système. L'idée clé qui a motivé cette transformation de la pensée était la notion qu'il n'y avait pas de véritable raison de supposer que la Terre contient une position fondamentalement privilégiée dans le cadre physique cosmos. Ce changement d'hypothèses est appelé Principe copernicien. Le modèle héliocentrique de Copernic est devenu encore plus populaire et accepté sur la base des travaux de Tycho Brahe, Galilée, et Johannes Kepler, qui a accumulé des preuves expérimentales substantielles à l'appui du modèle héliocentrique copernicien.

C'était Monsieur Isaac Newton qui a réussi à rassembler toutes ces découvertes pour expliquer réellement les mouvements planétaires, cependant. Il a eu l'intuition et la perspicacité nécessaires pour se rendre compte que le mouvement des objets tombant sur la terre était similaire au mouvement des objets en orbite autour de la Terre (en substance, ces objets tombent continuellement autour La terre). Comme cette motion était similaire, il s'est rendu compte qu'elle était probablement causée par la même force, qu'il a appelée la gravité. Par une observation attentive et le développement de nouvelles mathématiques appelées calcul et son trois lois du mouvement, Newton a réussi à créer des équations qui décrivaient ce mouvement dans diverses situations.

Bien que la loi de gravité de Newton ait fonctionné pour prédire le mouvement des cieux, il y avait un problème... on ne savait pas exactement comment cela fonctionnait. La théorie a proposé que les objets de masse s'attirent à travers l'espace, mais Newton n'a pas été en mesure de développer une explication scientifique du mécanisme utilisé par la gravité pour y parvenir. Afin d'expliquer l'inexplicable, Newton s'est appuyé sur un appel générique à Dieu, fondamentalement, les objets se comportent de cette façon en réponse à la présence parfaite de Dieu dans l'univers. Pour obtenir une explication physique, il faudrait attendre plus de deux siècles, jusqu'à l'arrivée d'un génie dont l'intellect pourrait éclipser même celui de Newton.

La cosmologie de Newton a dominé la science jusqu'au début du XXe siècle, lorsque Albert Einstein développé sa théorie de relativité générale, qui a redéfini la compréhension scientifique de la gravité. Dans la nouvelle formulation d'Einstein, la gravité était causée par la flexion de l'espace-temps à 4 dimensions en réponse à la présence d'un objet massif, comme une planète, une étoile ou même une galaxie.

L'une des implications intéressantes de cette nouvelle formulation était que l'espace-temps lui-même n'était pas en équilibre. Dans un ordre assez court, les scientifiques ont réalisé que la relativité générale prédit que l'espace-temps se dilaterait ou se contracterait. Croyez qu'Einstein croyait que l'univers était en fait éternel, il a introduit un constante cosmologique dans la théorie, qui a fourni une pression qui a contrecarré l'expansion ou la contraction. Cependant, lorsque l'astronome Edwin Hubble a finalement découvert que l'univers était en fait en expansion, Einstein s'est rendu compte qu'il avait fait une erreur et a supprimé la constante cosmologique de la théorie.

Si l'univers était en expansion, alors la conclusion naturelle est que si vous deviez rembobiner l'univers, vous verriez qu'il doit avoir commencé dans un minuscule et dense amas de matière. Cette théorie sur la façon dont l'univers a commencé est devenue la théorie du Big Bang. Ce fut une théorie controversée à travers les décennies du milieu du XXe siècle, car elle rivalisait pour la domination contre Fred Hoyle théorie de l'état stationnaire. La découverte du rayonnement de fond micro-ondes cosmique en 1965, cependant, a confirmé une prédiction qui avait été faite en relation avec le big bang, de sorte qu'il est devenu largement accepté par les physiciens.

Bien qu'il se soit trompé sur la théorie de l'état stationnaire, Hoyle est crédité des développements majeurs dans la théorie de nucléosynthèse stellaire, qui est la théorie selon laquelle l'hydrogène et d'autres atomes légers sont transformés en atomes plus lourds dans les creusets nucléaires appelés étoiles, et crachent dans l'univers à la mort de l'étoile. Ces atomes plus lourds se transforment ensuite en eau, en planètes et, finalement, en vie sur Terre, y compris les humains! Ainsi, selon les mots de nombreux cosmologistes émerveillés, nous sommes tous formés à partir de poussière d'étoiles.

Quoi qu'il en soit, revenons à l'évolution de l'univers. Alors que les scientifiques obtenaient plus d'informations sur l'univers et mesuraient plus soigneusement le rayonnement de fond des micro-ondes cosmiques, il y avait un problème. Au fur et à mesure que des mesures détaillées ont été prises des données astronomiques, il est devenu clair que les concepts la physique devait jouer un rôle plus important dans la compréhension des premières phases et de univers. Ce domaine de la cosmologie théorique, bien que toujours hautement spéculatif, est devenu assez fertile et est parfois appelé cosmologie quantique.

La physique quantique a montré un univers qui était assez proche d'être uniforme en énergie et en matière mais n'était pas complètement uniforme. Cependant, toute fluctuation dans le premier univers aurait considérablement augmenté au cours des milliards d'années que l'univers s'est développé... et les fluctuations étaient beaucoup plus faibles que ce à quoi on pourrait s'attendre. Les cosmologistes ont donc dû trouver un moyen d'expliquer un univers primitif non uniforme, mais qui avait seulement fluctuations extrêmement faibles.

Entrez Alan Guth, un physicien des particules qui a abordé ce problème en 1980 avec le développement de théorie de l'inflation. Les fluctuations dans le premier univers étaient des fluctuations quantiques mineures, mais elles se sont rapidement développées dans le premier univers en raison d'une période d'expansion ultra-rapide. Les observations astronomiques depuis 1980 ont soutenu les prédictions de la théorie de l'inflation et c'est maintenant le consensus parmi la plupart des cosmologistes.

Bien que la cosmologie ait beaucoup progressé au cours du siècle dernier, il reste encore plusieurs mystères ouverts. En fait, deux des mystères centraux de la physique moderne sont les problèmes dominants en cosmologie et en astrophysique:

• Matière noire - Certaines galaxies se déplacent d'une manière qui ne peut pas être entièrement expliquée en fonction de la quantité de matière qui est observées en leur sein (appelées «matière visible»), mais qui peuvent s’expliquer s’il existe une matière supplémentaire invisible galaxie. Cette matière supplémentaire, qui devrait occuper environ 25% de l'univers, d'après les mesures les plus récentes, est appelée matière noire. En plus des observations astronomiques, des expériences sur Terre telles que la Recherche cryogénique de matière noire (CDMS) essaient d'observer directement la matière noire.
• Énergie noire - En 1998, les astronomes ont tenté de détecter la vitesse à laquelle l'univers ralentissait... mais ils ont constaté que cela ne ralentissait pas. En fait, le taux d'accélération s'accélérait. Il semble que la constante cosmologique d'Einstein était nécessaire après tout, mais au lieu de tenir l'univers comme un état d'équilibre, il semble en fait que les galaxies se séparent à un rythme de plus en plus rapide au fil du temps sur. On ne sait pas exactement ce qui cause cette «gravité répulsive», mais le nom que les physiciens ont donné à cette substance est "l'énergie noire". Les observations astronomiques prédisent que cette énergie sombre représente environ 70% de l'univers substance.

Il existe d'autres suggestions pour expliquer ces résultats inhabituels, tels que la dynamique newtonienne modifiée (MOND) et la vitesse variable de la cosmologie de la lumière, mais ces alternatives sont considérées comme des théories marginales qui ne sont pas acceptées par de nombreux physiciens champ.

Il convient de noter que la théorie du big bang décrit en fait la façon dont l'univers a évolué depuis peu de temps après sa création, mais ne peut donner aucune information directe sur l'origine réelle du univers.

Cela ne veut pas dire que la physique ne peut rien nous dire sur les origines de l'univers. Lorsque les physiciens explorent la plus petite échelle de l'espace, ils constatent que la physique quantique aboutit à la création de particules virtuelles, comme en témoigne la Effet Casimir. En fait, la théorie de l'inflation prédit qu'en l'absence de toute matière ou énergie, l'espace-temps s'élargirait. Pris à leur valeur nominale, cela donne donc aux scientifiques une explication raisonnable de la façon dont l'univers pourrait initialement naître. S'il y avait un vrai "rien", peu importe, pas d'énergie, pas d'espace-temps, alors rien ne serait instable et commencerait à générer de la matière, de l'énergie et un espace-temps en expansion. Telle est la thèse centrale de livres tels que Le Grand Design et Un univers à partir de rien, qui postule que l'univers peut être expliqué sans référence à une divinité créatrice surnaturelle.

Il serait difficile de trop insister sur l'importance cosmologique, philosophique et peut-être même théologique de reconnaître que la Terre n'est pas le centre du cosmos. En ce sens, la cosmologie est l'un des premiers domaines à avoir fourni des preuves en conflit avec la vision religieuse traditionnelle du monde. En fait, chaque avancée dans la cosmologie a semblé aller à l'encontre des hypothèses les plus chères que nous aimerions faire sur la spécificité de l'humanité en tant qu'espèce... au moins en termes d'histoire cosmologique. Ce passage de Le Grand Design par Stephen Hawking et Leonard Mlodinow expose avec éloquence la transformation de la pensée issue de la cosmologie:

Le modèle héliocentrique du système solaire de Nicolaus Copernic est reconnu comme la première démonstration scientifique convaincante que nous, les humains, ne sommes pas le point focal du cosmos... Nous réalisons maintenant que le résultat de Copernic n'est que l'une d'une série de rétrogradations imbriquées renversant des hypothèses de longue date concernant statut spécial de l'humanité: nous ne sommes pas situés au centre du système solaire, nous ne sommes pas situés au centre de la galaxie, nous sommes pas situé au centre de l'univers, nous ne sommes même pas faits des ingrédients sombres constituant la grande majorité des la masse de l'univers. Une telle dégradation cosmique... illustre ce que les scientifiques appellent maintenant le principe copernicien: dans le grand schéma des choses, tout ce que nous savons indique que les êtres humains n'occupent pas une position privilégiée.