จักรวาลวิทยา: การเปิดเผยเรื่องราวของจักรวาล

เป็นเวลาหลายพันปีที่มนุษย์เฝ้าดูดวงดาวและสงสัยว่าจักรวาลมาเป็นอย่างไร แต่มันไม่ได้จนกว่าปีของสงครามโลกครั้งที่หนึ่งที่นักวิจัยได้พัฒนาเครื่องมือสังเกตการณ์ครั้งแรกและเครื่องมือทางทฤษฎีเพื่อเปลี่ยนคำถามใหญ่เหล่านั้นให้กลายเป็นสาขาการศึกษาที่แม่นยำ: จักรวาลวิทยา

“ ฉันคิดว่าจักรวาลวิทยาเป็นหนึ่งในวิชาที่เก่าแก่ที่สุดที่มีความสนใจของมนุษย์ แต่เป็นหนึ่งในวิทยาศาสตร์ใหม่ล่าสุด” พอลสไตน์ฮาร์ดนักจักรวาลจากมหาวิทยาลัยพรินซ์ตันกล่าวว่าเวลามีจุดเริ่มต้นหรือไม่

Cosmology สรุปการศึกษาจักรวาลเป็นหนึ่งเอนทิตีแทนที่จะวิเคราะห์แยกดาวหลุมดำและกาแลคซีที่เติมเต็ม สาขานี้ถามคำถามใหญ่: จักรวาลมาจากไหน? ทำไมมันถึงมีดาวกาแลคซีและกาแลคซี จะเกิดอะไรขึ้นต่อไป? “ จักรวาลวิทยากำลังพยายามสร้างภาพขนาดใหญ่ของธรรมชาติของจักรวาล” Glennys Farrar นักฟิสิกส์อนุภาคที่มหาวิทยาลัยนิวยอร์กกล่าว

เพราะวินัยนี้มีปรากฏการณ์มากมายตั้งแต่อนุภาคในสุญญากาศไปจนถึงผ้าของอวกาศและเวลาจักรวาลวิทยาดึงอย่างมากในหลายสาขารวมถึงดาราศาสตร์ดาราศาสตร์ฟิสิกส์และฟิสิกส์อนุภาคมากขึ้นเรื่อย ๆ

“ จักรวาลวิทยามีส่วนต่าง ๆ ของมันอย่างเต็มที่ในฟิสิกส์ชิ้นส่วนที่อยู่ในฟิสิกส์ดาราศาสตร์อย่างเต็มที่และชิ้นส่วนที่กลับไปกลับมา” Steinhardt กล่าว "นั่นเป็นส่วนหนึ่งของความตื่นเต้น"

ประวัติความเป็นมาของประวัติศาสตร์ของจักรวาล

ลักษณะสหวิทยาการของสนามช่วยอธิบายการเริ่มต้นที่ค่อนข้างช้า ภาพที่ทันสมัยของจักรวาลของเราเริ่มมารวมกันในช่วงปี 1920 หลังจากอัลเบิร์ตไอน์สไตน์พัฒนาทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปกรอบทางคณิตศาสตร์ที่อธิบายถึงแรงโน้มถ่วงอันเป็นผลมาจากการดัดพื้นที่และเวลา

“ ก่อนที่คุณจะเข้าใจธรรมชาติของแรงโน้มถ่วงคุณไม่สามารถสร้างทฤษฎีได้ว่าทำไมสิ่งต่าง ๆ ถึงเป็นอย่างที่พวกเขาเป็น” Steinhardt กล่าว กองกำลังอื่นมีผลกระทบต่ออนุภาคมากขึ้น แต่แรงโน้มถ่วงเป็นผู้เล่นหลักในเวทีของดาวเคราะห์ดวงดาวและกาแลคซี คำอธิบายของ Isaac Newton เกี่ยวกับแรงโน้มถ่วงมักจะทำงานในดินแดนนั้นเช่นกัน แต่มันถือว่าพื้นที่ (และเวลา) เป็นฉากหลังที่เข้มงวดและไม่เปลี่ยนแปลงซึ่งจะวัดเหตุการณ์ งานของ Einstein แสดงให้เห็นว่าพื้นที่นั้นสามารถขยายและทำสัญญาเปลี่ยนจักรวาลจากเวทีเป็นนักแสดงและนำมันเข้าสู่การต่อสู้เพื่อเป็นวัตถุที่มีพลังในการศึกษา

ในช่วงกลางทศวรรษที่ 1920 นักดาราศาสตร์ฮันฮันฮันได้ทำการสังเกตจากกล้องโทรทรรศน์หญิงโสเภณีขนาด 100 นิ้ว (254 เซนติเมตร) ที่หอดูดาว Mount Wilson ในแคลิฟอร์เนีย เขาพยายามที่จะตั้งข้ออภิปรายเกี่ยวกับที่ตั้งของเมฆบางตัวในอวกาศที่นักดาราศาสตร์มองเห็น ฮับเบิลพิสูจน์แล้วว่า "เนบิวลา" เหล่านี้ไม่ใช่เมฆเล็ก ๆ ในท้องถิ่นทางช้างเผือก- "จักรวาลเกาะ" ในการพูดคุยของเวลา วันนี้เราเรียกพวกเขาว่ากาแลคซีและรู้ว่าพวกเขาจำนวนในล้านล้าน-

ความวุ่นวายที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในมุมมองของจักรวาลยังมาไม่ถึง งานของฮับเบิลในช่วงปลายทศวรรษที่ 1920 แนะนำว่ากาแลคซีในทุกทิศทางกำลังเร่งความเร็วจากเรากระตุ้นให้มีการถกเถียงกันหลายทศวรรษ การวัดในที่สุดของพื้นหลังไมโครเวฟจักรวาล(CMB) - แสงที่เหลืออยู่จากช่วงปีแรก ๆ ของจักรวาลและนับตั้งแต่ขยายไปสู่ไมโครเวฟ - ในปี 1960 พิสูจน์ให้เห็นว่าความเป็นจริงจับคู่ความเป็นไปได้อย่างหนึ่งที่แนะนำโดยสัมพัทธภาพทั่วไป: เริ่มต้นเล็กและร้อน แนวคิดกลายเป็นที่รู้จักในฐานะทฤษฎีบิ๊กแบงและนักจักรวาลวิทยาเขย่าเพราะมันบอกเป็นนัยว่าแม้แต่จักรวาลก็สามารถเริ่มต้นและสิ้นสุดได้

แต่อย่างน้อยนักดาราศาสตร์เหล่านั้นสามารถเห็นการเคลื่อนไหวของกาแลคซีในกล้องโทรทรรศน์ของพวกเขา หนึ่งในการเปลี่ยนแปลงของแผ่นดินไหวมากที่สุดของจักรวาลกล่าวว่าฟาร์ราร์กล่าวว่าเป็นความคิดที่ว่าสิ่งส่วนใหญ่ที่ทำจากสิ่งอื่นมีบางอย่างที่มองไม่เห็นอย่างสมบูรณ์ วัสดุที่เราสามารถเห็นได้ว่ามีจำนวนน้อยกว่าข้อผิดพลาดในการปัดเศษของจักรวาล - เพียงประมาณ 5% ของทุกสิ่งในจักรวาล

คนแรกของอีก 95% ของจักรวาลสิ่งที่เรียกว่า "ภาคมืด" เลี้ยงดูหัวในปี 1970 ย้อนกลับไปตอนนั้นนักดาราศาสตร์ Vera Rubin ตระหนักว่ากาแลคซีกำลังบีบอัดอย่างรวดเร็วพวกเขาควรแยกตัวออกจากกัน- ฟาร์ราร์กล่าวว่าสิ่งต่าง ๆ ที่เก็บกาแลคซีเข้าด้วยกันมากกว่าที่จะเห็นว่าเป็นสิ่งที่นักฟิสิกส์ไม่รู้จักโดยสิ้นเชิง-สิ่งที่-ยกเว้นการดึงแรงโน้มถ่วง-ไม่สนใจเรื่องและแสงธรรมดาอย่างสมบูรณ์ การทำแผนที่ต่อมาเปิดเผยว่ากาแลคซีที่เราเห็นนั้นเป็นเพียงนิวเคลียสในใจกลางของทรงกลม "สสารมืด" ขนาดมหึมา เส้นใยของสสารที่มองเห็นได้ซึ่งทอดยาวไปทั่วจักรวาลแขวนอยู่บนกรอบมืดที่มีน้ำหนักเกินอนุภาคที่มองเห็นได้ห้าต่อหนึ่ง

ที่กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลจากนั้นเปิดสัญญาณของพลังงานที่ไม่คาดคิดซึ่งตอนนี้นักจักรวาลวิทยากล่าวว่าคิดเป็น 70%ที่เหลือของจักรวาลหลังจากบัญชีสำหรับสสารมืด (25%) และสสารที่มองเห็นได้ (5%) - ในปี 1990เร่งความเร็วเหมือนรถไฟที่หลบหนี- "พลังงานมืด" อาจเป็นพลังงานประเภทหนึ่งโดยธรรมชาติของพื้นที่กำลังผลักจักรวาลออกจากกันเร็วกว่าแรงโน้มถ่วงสามารถดึงจักรวาลเข้าด้วยกัน ในอีกหลายล้านล้านปีนักดาราศาสตร์คนใดที่เหลืออยู่ในทางช้างเผือกจะพบว่าตัวเองอยู่ในจักรวาลเกาะที่แท้จริงซึ่งเต็มไปด้วยความมืด

“ เราอยู่ในช่วงเปลี่ยนผ่านในประวัติศาสตร์ของจักรวาลจากที่ซึ่งมันถูกครอบงำโดยสสารไปยังที่ซึ่งมันถูกครอบงำด้วยพลังงานรูปแบบใหม่” Steinhardt กล่าว "สสารมืดกำหนดอดีตของเราพลังงานมืดจะเป็นตัวกำหนดอนาคตของเรา"

จักรวาลวิทยาที่ทันสมัยและอนาคต

แพ็คเกจจักรวาลในปัจจุบันการค้นพบสถานที่สำคัญเหล่านี้เป็นความสำเร็จที่ยอดเยี่ยมรุ่น Lambda-CDM- บางครั้งเรียกว่ารูปแบบมาตรฐานของจักรวาลวิทยามัดของสมการนี้อธิบายถึงจักรวาลจากรอบวินาทีแรกเป็นต้นไป แบบจำลองนี้มีพลังงานมืดจำนวนหนึ่ง (แลมบ์ดาสำหรับการเป็นตัวแทนในสัมพัทธภาพทั่วไป) และสสารมืดเย็น (CDM) และคาดเดาที่คล้ายกันเกี่ยวกับปริมาณของสสารที่มองเห็นได้รูปร่างของจักรวาลและลักษณะอื่น ๆ ทั้งหมดถูกกำหนดโดยการทดลองและการสังเกต

เล่นภาพยนตร์เรื่อง Baby-Universe ไปข้างหน้า 13.8 พันล้านปีและนักจักรวาลวิทยาจะได้รับภาพรวมที่ "สถิติมีทุกสิ่งที่เราสามารถวัดได้จนถึงจุดหนึ่ง" Steinhardt กล่าว โมเดลนี้แสดงให้เห็นถึงเป้าหมายที่จะเอาชนะในฐานะนักจักรวาลวิทยาผลักดันคำอธิบายของจักรวาลให้ลึกลงไปในอดีตและในอนาคต

ประสบความสำเร็จในฐานะ Lambda-CDM ที่ได้รับมันยังคงมีข้อบกพร่องมากมายที่ต้องออกกำลังกายนักจักรวาลวิทยาได้รับผลลัพธ์ที่ขัดแย้งกันเมื่อพวกเขาพยายามศึกษาการขยายตัวของจักรวาลในปัจจุบันขึ้นอยู่กับว่าพวกเขาวัดได้โดยตรงในกาแลคซีใกล้เคียงหรืออนุมานจาก CMB รุ่นนี้ไม่ได้พูดอะไรเกี่ยวกับการแต่งหน้าของสสารมืดหรือพลังงานเช่นกัน

จากนั้นก็มีวินาทีแรกที่มีปัญหาในการดำรงอยู่เมื่อจักรวาลน่าจะเปลี่ยนจากจุดเล็ก ๆ น้อย ๆ ไปจนถึงฟองสบู่ที่ประพฤติตัวดี -เงินเฟ้อ"เป็นทฤษฎีที่ได้รับความนิยมที่พยายามจัดการกับช่วงเวลานี้โดยอธิบายว่าช่วงเวลาสั้น ๆ ของการขยายตัวเร็วกว่านั้นทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงครั้งแรกในระดับต่ำสุดในกาแลคซีขนาดใหญ่ที่ไม่สม่ำเสมอของกาแลคซีในปัจจุบันรวมถึงวิธีการป้อนข้อมูล Lambda-CDM

อย่างไรก็ตามไม่มีใครรู้ว่าอัตราเงินเฟ้อทำงานในรายละเอียดอย่างไรหรือทำไมมันถึงหยุดที่มันน่าจะทำ Steinhardt กล่าวว่าอัตราเงินเฟ้อควรดำเนินต่อไปในหลาย ๆ ภูมิภาคของอวกาศซึ่งหมายความว่าจักรวาลของเราคือเพียงชิ้นเดียวของ "ลิขสิทธิ์"มีความเป็นจริงทางกายภาพที่เป็นไปได้ทุกความคิดที่ไม่สามารถคาดเดาได้ที่นักทดลองหลายคนพบว่าน่าพิศวง

เพื่อให้เกิดความคืบหน้าของคำถามเช่นนี้นักจักรวาลกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์เช่นเดียวกับการทดลองในสาขาที่เกิดขึ้นใหม่ของดาราศาสตร์คลื่นความโน้มถ่วงเช่นหอสังเกตการณ์เลเซอร์อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ของมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ นักจักรวาลวิทยายังเข้าร่วมด้วยนักฟิสิกส์อนุภาคและนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ในการแข่งขันแบบสหวิทยาการเพื่อตรวจจับอนุภาคของสสารมืด

เช่นเดียวกับจักรวาลวิทยาไม่สามารถเริ่มต้นได้จนกว่าสาขาวิชาฟิสิกส์อื่น ๆ จะครบกำหนดมันจะไม่สามารถเปิดเผยประวัติศาสตร์ของจักรวาลได้จนกระทั่งพื้นที่อื่น ๆ เสร็จสมบูรณ์มากขึ้น "เพื่อให้ได้เรื่องตรงคุณต้องทำงานตามกฎหมายของฟิสิกส์ทั้งหมดในทุกระดับพลังงานและทุกเงื่อนไข" Steinhardt กล่าว "และการเปลี่ยนแปลงในสิ่งใดคนหนึ่งสามารถเปลี่ยนเรื่องราวทางดาราศาสตร์ได้อย่างรุนแรง"

Farrar กล่าวว่าเธอไม่รู้ว่ามันจะเกิดขึ้นหรือไม่ แต่ประหลาดใจที่ผู้คนเข้าใจถึงความซับซ้อนของจักรวาลเท่าที่พวกเขามี “ มันวิเศษมากที่สมองมนุษย์ได้พัฒนาไปจนถึงจุดที่คำถามเหล่านี้สามารถตอบคำถามเหล่านี้ได้” เธอกล่าว "อย่างน้อยบางคน"

เพิ่มเติมทรัพยากร-

• นักจักรวาลวิทยาSean Carroll แก้ไขความเข้าใจผิดทั่วไปของคุณเกี่ยวกับจักรวาล
• อ่านเกี่ยวกับภารกิจของนาซ่าในการเปิดเผยภาคมืด-
• ดู"เวลาว่าง" ของ PBS อธิบายถึงวิกฤตหนึ่งครั้งในรูปแบบมาตรฐานของจักรวาลวิทยา