ogólne spekulacje na temat natury świata są tak stare, jak greccy filozofowie Przedsokratejscy, ale prawdziwie naukowa kosmologia nie mogła być sformułowana, dopóki nie pojawiła się pewna wiedza o podstawowych prawach natury. Odkrycie przez Isaaca Newtona uniwersalnej grawitacji odwrotnego prawa kwadratowego dało pierwszą poważną okazję do takiego przedsięwzięcia. Ponieważ grawitacja jest atrakcyjna, natychmiastowym problemem było wyjaśnienie, dlaczego wszechświat nie zapadł się sam w sobie., Ruchy planet powstrzymały to dzieje się w Układzie Słonecznym, ale co z „gwiazdami stałymi”? Odpowiedź na to pytanie była taka, że w nieskończonym wszechświecie, zaludnionym równomiernie przez Gwiazdy, siły przyciągające w różnych kierunkach będą się wzajemnie eliminować, dając równowagę.
jednak pojawił się problem z ideą nieograniczonego kosmosu. Każda linia wzroku musiałaby zakończyć się gdzieś na powierzchni gwiazdy. W 1823 Wilhelm Olbers wskazał, że oznaczałoby to, że nocne niebo było wszędzie jednolicie jasne., Współczesna rozdzielczość tego paradoksu opiera się na fakcie, że skończona prędkość światła i skończony wiek Wszechświata razem oznaczają, że tylko skończona liczba gwiazd jest dla nas rzeczywiście widoczna.
ważnego odkrycia dokonał pod koniec XVIII wieku Sir William Herschel. Odkrył, że pasmo światła znane jako Droga Mleczna składa się w rzeczywistości z wielu gwiazd, tworzących ogromną galaktykę, której układ słoneczny jest tylko małym składnikiem. Pierwsi spekulanci, w tym Immanuel Kant (1724-1804), proponowali, że tak może być., Zasugerowali również, że plamy świetlne zwane mgławicami mogą być innymi „wyspowymi wszechświatami”, podobnymi do Drogi Mlecznej, ale w dużych odległościach od niej. Kwestia ta nie została ostatecznie rozstrzygnięta aż do XX wieku, ale już w powietrzu unosiła się idea, że stworzona rzeczywistość może być znacznie szersza niż wcześniej przypuszczano.
odległości do pobliskich gwiazd można zmierzyć za pomocą paralaksy, czyli Niewielkiego przesunięcia pozornej pozycji niebieskiej, gdy Ziemia porusza się po swojej orbicie., Poza tym zakresem, szacowanie odległości zależy od ustalenia standardowej świecy, Źródła światła o znanej intensywności, którego obserwowane ściemnienie umożliwia następnie pomiar jego odległości. Gwiazdy o regularnie wahającej się jasności, zwane zmiennymi Cefeidowymi, dostarczają tej miary, ponieważ wiadomo, że ich wewnętrzna jasność jest ściśle skorelowana z okresem ich zmienności. W 1924 roku Edwin Hubble użył tej metody, aby ustalić, że mgławica Andromeda jest odległą galaktyką, znaną obecnie z odległości około dwóch milionów lat świetlnych od Drogi Mlecznej.,
Hubble dokonał swojego największego odkrycia. Światło z odległych galaktyk jest zaczerwienione w porównaniu z tym samym światłem ze źródła ziemskiego. Jest to interpretowane jako spowodowane efektem recesji, a stopień zaczerwienienia wywołanego jest skorelowany z szybkością recesji. Efekt (przesunięcie dopplerowskie) jest podobny do zmiany częstotliwości syreny pogotowia spowodowanej ruchem pojazdu. Hubble odkrył, że szybkość oddalania się galaktyki jest proporcjonalna do jej odległości., Zostało to następnie zinterpretowane jako efekt ze względu na ekspansję samej przestrzeni. Podobnie jak plamy na powierzchni balonu oddalają się od siebie, gdy balon jest nadmuchiwany, tak jak przestrzeń rozszerza się, niesie ze sobą galaktyki. Odkrycie przez Hubble ' a rozszerzającego się wszechświata miało ogromny wpływ na rozwój teorii kosmologicznej.
Kosmologia relatywistyczna
Newton traktował przestrzeń jako pojemnik, w którym ruch atomów materialnych miał miejsce w trakcie przepływu czasu absolutnego., Odkrycie przez Alberta Einsteina teorii ogólnej teorii względności całkowicie zmieniło Ten obraz.
w 1908 roku Einstein miał to, co uważał za swoją najszczęśliwszą myśl. Zdawał sobie sprawę, że gdyby miał swobodnie spadać, byłby zupełnie nieświadomy grawitacji. Ta pozornie mało znacząca obserwacja doprowadziła go do uznania zasady równoważności, która leży u podstaw ogólnej teorii względności., Istnieją dwa koncepcyjnie odrębne znaczenia masy: masa bezwładnościowa (mierząca opór ciała wobec zmiany jego stanu ruchu) i masa grawitacyjna (mierząca siłę oddziaływania ciała z polem grawitacyjnym). Pomimo swojej odrębności pojęciowej, te dwie miary są zawsze numerycznie identyczne. Ilościowo masa bezwładnościowa i grawitacyjna są równoważne. Oznacza to, że wszystkie ciała poruszają się w ten sam sposób w polu grawitacyjnym., Podwojenie masy podwoi opór bezwładności na zmianę ruchu, ale także podwaja siłę grawitacji powodującą zmianę. W konsekwencji wynikający z tego ruch jest taki sam. To uniwersalne zachowanie oznacza, że wpływ grawitacji na poszczególne ciała może być reinterpretowany jako ogólna konsekwencja właściwości samej przestrzeni, a dokładniej, biorąc pod uwagę wcześniejsze odkrycie przez Einsteina ścisłego wzajemnego związku przestrzeni i czasu ze szczególną teorią względności, właściwości czterowymiarowej czasoprzestrzeni., Pojęcia przestrzeni, czasu i materii, utrzymywane dość odrębnie przez Newtona, zostały połączone przez Einsteina w jednym pakiecie. Zamienił fizykę grawitacyjną w geometrię. Materia zakrzywia czasoprzestrzeń, a krzywizna czasoprzestrzeni z kolei wpływa na ścieżki materii. Nie ma czasu bez przestrzeni i materii, punkt Augustyn zrealizował piętnaście wieków wcześniej.
Einstein rozpoczął pracę nad odkryciem równań, które dałyby ilościowy wyraz jego idei. Poszukiwania były długie, ale w listopadzie 1915 roku trafił na nie., Natychmiast był w stanie pokazać, że przewidywali niewielkie odchylenie w zachowaniu planety Merkury, które już było obserwowane, ale które sprzeciwiało się wyjaśnieniom Newtonowskim. Później, w 1919 roku, obserwacje całkowitego zaćmienia Słońca potwierdziły inną prognozę, odnoszącą się do zagięcia światła gwiazd przez słońce. Z dnia na dzień Einstein stał się w wyobraźni publicznej ikonicznym bohaterem naukowym.
ta integracja przestrzeni, czasu i materii w jednej teorii dała możliwość zbudowania prawdziwie naukowego opisu całego wszechświata. Jednak wydawało się, że jest problem., W tym czasie fizycy nadal uważali, że teoria kosmologiczna powinna dawać statyczny obraz. Fizyka miała być ostatnią nauką, która rozpoznała prawdziwe znaczenie czasowości i rozwoju procesu. Geolodzy dotarli tam pod koniec XVIII wieku, a do połowy XIX wieku biolodzy, wraz z publikacją Charles Darwin ' s Origin of Species w 1859 roku, poszli w ślady. Na początku XX wieku fizycy nadal utrzymywali Arystotelesowską koncepcję wiecznie niezmiennego kosmosu. Einstein nie mógł znaleźć statycznego rozwiązania swoich równań., W związku z tym, kiedy opublikował swoje propozycje kosmologiczne w 1918 r., majstrował przy równaniach, dodając dodatkowy termin (stała kosmologiczna). Stanowił rodzaj antygrawitacji, siły odpychającej, mającej na celu zrównoważenie na duże odległości siły przyciągania konwencjonalnej grawitacji.
Einstein nazwał później ten dodatek największą pomyłką swojego życia., Nie miał szansy przewidzieć rozszerzającego się wszechświata, ponieważ jego niezmodyfikowane równania miały rozwiązania (odkryte przez rosyjskiego meteorologa Alexandra Friedmanna i belgijskiego księdza Georges 'a Lemaître' a), które odpowiadały zachowaniu obserwowanemu później przez Hubble ' a. Co więcej, zaproponowane przez niego rozwiązanie statyczne nie zadziałało, ponieważ było niestabilne i załamałoby się pod wpływem zakłóceń.
Kosmologia Wielkiego Wybuchu
Jeśli galaktyki obecnie się oddalają, to w przeszłości musiały być bliżej siebie., Prowadzi to do wniosku, że wszechświat, który dziś obserwujemy, wydaje się wyłonić z Wielkiego Wybuchu, pierwotnego stanu ogromnie skondensowanej i energetycznej materii. Obecnie szacuje się, że powstanie to miało miejsce 13,7 miliarda lat temu.
wzięty dosłownie, Wielki Wybuch jest momentem nieskończonej gęstości i energii, osobliwością, która jest poza siłą konwencjonalnej nauki do analizy. (Niektóre wysoce spekulatywne idee na temat bardzo wczesnego wszechświata, blisko Wielkiego Wybuchu, zostaną omówione poniżej.,) Chociaż niektórzy religijni ludzie (w tym papież Pius XII) ulegli pokusie mówienia o Wielkim Wybuchu jako „chwili stworzenia”, był to oczywiście błąd Teologiczny. Judeochrześcijańsko-Islamska Doktryna stworzenia dotyczy ontologicznego pochodzenia (dlaczego jest coś, a nie nic?), a nie doczesne pochodzenie (jak to wszystko się zaczęło?). Bóg jest dziś tak samo Stwórcą, jak Bóg był 13,7 miliarda lat temu. Kosmologia Wielkiego Wybuchu jest bardzo interesująca naukowo, ale nie krytycznie istotna teologicznie.,
jednak trzej kosmolodzy, Hermann Bondi, Fred Hoyle i Thomas Gold, obawiali się, że kosmologia Wielkiego Wybuchu może faworyzować religię, więc w latach 60. zaproponowali alternatywną teorię stanu stacjonarnego, obraz wiecznego wszechświata zawsze zasadniczo taki sam. Ten powrót do Arystotelesowskich idei został pogodzony z recesją galaktyk przez przypuszczenie ciągłego tworzenia materii, zachodzącego w tempie zbyt małym, aby można było go zaobserwować, ale wystarczającym do wypełnienia luk pozostawionych przez ruch już istniejących galaktyk., Dalsze wyniki obserwacyjne pozbyły się tego pomysłu.
gdy wszechświat się rozszerza, ochładza się. Do czasu, gdy była ona starsza o mikrosekundę, jej temperatura była już na poziomie, na którym zachodzące procesy kosmiczne miały Energie wystarczająco niskie, aby naukowcy mogli mieć wiarygodne zrozumienie ich natury. Dyskusja jest dodatkowo uproszczona przez fakt, że wczesny wszechświat był prawie jednolity i bez struktury, co czyni go bardzo prostym systemem fizycznym do rozważenia.,
w czasie, gdy miał około trzech minut, wszechświat ochłodził się do tego stopnia, że interakcje jądrowe ustały w skali kosmicznej. W rezultacie całkowita struktura jądrowa świata została ustalona na tym, czym jest do dziś, trzy czwarte wodoru i jedna czwarta helu. Do czasu, gdy kosmos miał około pół miliona lat, dalsze ochładzanie doprowadziło go do punktu, w którym promieniowanie nie było już wystarczająco energiczne, aby rozbić atomy, które próbowały się uformować. Materia i promieniowanie oddzieliły się od siebie, a to ostatnie pozostawiono po prostu do dalszego ochłodzenia, gdy ekspansja kosmiczna trwała., Dziś promieniowanie to jest bardzo zimne, trzy stopnie powyżej zera absolutnego. Został po raz pierwszy zaobserwowany w 1964 roku przez Arno Penziasa i Roberta Wilsona. Znane jako kosmiczne promieniowanie tła, tworzy skamieniały depozyt pozostały po erze Wielkiego Wybuchu, mówiący nam, jaki był wszechświat, gdy miał pół miliona lat. Jedną z rzeczy, których się dowiadujemy, jest to, że kosmos był wtedy bardzo jednolity, z wahaniami średniej gęstości wynoszącymi nie więcej niż jedną część na dziesięć tysięcy., To promieniowanie tła postawiło teorię stanu ustalonego, która nie mogła wyjaśnić jego właściwości w sposób naturalny, jaki był możliwy dla kosmologii Wielkiego Wybuchu.
grawitacja ma długotrwały efekt zwiększania małych wahań. Nieco więcej materii tutaj niż tam wytworzyło nieco więcej przyciągania tutaj niż tam, wywołując tym samym efekt śnieżnej kuli, przez który wszechświat w końcu stał się grudkowaty z galaktykami i gwiazdami. W wieku kosmicznym wynoszącym miliard lat proces ten był w pełnym rozkwicie. Gdy Gwiazdy się skondensowały, podgrzały się i reakcje jądrowe zaczęły się ponownie w skali lokalnej., Początkowo Gwiazdy spalają się przekształcając wodór w hel. W późniejszym stadium rozwoju Gwiazdy cięższe pierwiastki, takie jak węgiel i tlen, powstają w wyniku dalszych procesów jądrowych. Wewnątrz Gwiazdy sekwencja ta nie może wyjść poza żelazo, najbardziej stabilne z gatunków jądrowych. Jednak pod koniec życia niektóre gwiazdy eksplodują jako supernowe, nie tylko rozpraszając pierwiastki, które wytworzyły do otoczenia, ale także, w samym procesie wybuchowym, wytwarzając brakujące pierwiastki poza żelazem. W ten sposób dziewięćdziesiąt dwa pierwiastki chemiczne ostatecznie stały się dostępne., Jednym z największych triumfów XX-wiecznej astrofizyki było odkrywanie szczegółów delikatnych procesów nukleosyntezy. Kiedy uformowała się druga generacja gwiazd i planet, dostępne było środowisko chemiczne wystarczająco bogate, aby umożliwić rozwój życia. Tak rozpoczęło się jedno z najbardziej niezwykłych wydarzeń w znanej nam historii kosmicznej. Wraz z pojawieniem się samoświadomości wszechświat stał się świadomy samego siebie.,
zasada antropiczna
kiedy naukowcy zrozumieli ewolucyjne procesy historii kosmicznej, zaczęli zdawać sobie sprawę, że możliwość rozwoju życia opartego na węglu zależy krytycznie od szczegółów praw natury faktycznie działających we wszechświecie. Zbiór spostrzeżeń wskazujących na ten wniosek otrzymał nazwę zasady antropicznej, chociaż zasada węglowa byłaby lepszym wyborem, ponieważ chodzi o ogólność życia, a nie o specyfikę Homo sapiens., Podano wiele przykładów tych antropicznych ” drobnomieszczan.”
jeden jest dostarczany przez Gwiezdne procesy, w których elementy niezbędne do życia zostały utworzone. Każdy atom węgla w każdym żywym ciele znajdował się kiedyś wewnątrz gwiazdy, a proces, w którym powstał ten węgiel, zależy krytycznie od ilościowych szczegółów fizyki jądrowej. Trzy jądra helu muszą się połączyć, aby stworzyć węgiel. Można by się spodziewać dwuetapowego procesu, dwóch Helium najpierw stopi się tworząc Beryl, a następnie dodaje się trzeci Hel w celu wytworzenia węgla., Istnieje jednak problem, ponieważ beryl jest bardzo niestabilny, co sprawia, że drugi krok jest problematyczny. W rzeczywistości jest to możliwe tylko dlatego, że okazuje się, że istnieje znaczny efekt wzmocnienia (rezonans) występujący dokładnie w odpowiedniej energii. Gdyby siły jądrowe różniły się od tego, czym faktycznie są, rezonans ten byłby w niewłaściwym miejscu i nie byłoby węgla w ogóle. Gdy Hoyle odkrył ten niezwykły zbieg okoliczności, uznał, że nie może to być tylko szczęśliwy wypadek, ale musi za tym kryć się jakaś inteligencja.
przykłady można mnożyć., Rozwój życia na planecie zależy od tego, czy jej gwiazda dostarcza długowiecznego i niezawodnego źródła energii. Gwiazdy płoną w ten sposób w naszym wszechświecie, ponieważ siła grawitacji na to pozwala. Najbardziej wymagająca dokładność antropiczna odnosi się do stałej kosmologicznej Einsteina. Współczesne myślenie ożywiło to pojęcie, ale jego siła musi być bardzo słaba, aby zapobiec upadkowi lub rozpadowi wszechświata. Wielu kosmologów uważa, że siła (zwykle nazywana ciemną energią) jest rzeczywiście obecna, ale na poziomie, który wynosi tylko 10-120 tego, co można uznać za jej naturalną wartość., Cokolwiek większego niż ta mała liczba, uczyniłoby ewolucję życia, lub jakąkolwiek złożoną Kosmiczną strukturę, całkiem niemożliwą.
te naukowe spostrzeżenia są niekontrowersyjne, ale to, jakie ich głębsze, metascientific znaczenie można uznać za było wysoce kwestionowane. Niewielu jest gotowych traktować te antropiczne zbiegi okoliczności jako jedynie szczęśliwe wypadki, a więc szeroko rozpowszechnione są dwie przeciwstawne propozycje wyjaśniające., Postrzega się wszechświat jako boskie stworzenie, wyjaśniając jego precyzyjnie dostrojoną specyfikę jako wyraz woli Stwórcy, że powinien on być zdolny do owocnej historii. Drugim jest podejście wieloświatowe, zakładając, że ten konkretny wszechświat jest tylko jednym członkiem ogromnego portfolio różnych istniejących światów, każdy oddzielony od siebie i każdy posiadający własne naturalne prawa i okoliczności. Nasz wszechświat jest po prostu tym w tej ogromnej przestrzeni kosmicznej, gdzie przez przypadek możliwy jest rozwój życia opartego na węglu., Chociaż istnieją wysoce spekulatywne idee naukowe, które mogą do pewnego stopnia zachęcać do myślenia wieloświatowego( patrz poniżej), niezauważalna marnotrawność podejścia wieloświatowego sprawia, że wydaje się to metafizyczną propozycją o znacznej ekstrawagancji, która wydaje się robić tylko jedną pracę wyjaśniającą w rozbrajaniu zagrożenia teizmem.
bardzo wczesny Wszechświat
im bliżej naukowcy starają się zbliżyć do Wielkiego Wybuchu, tym bardziej ekstremalne są reżimy, a zatem bardziej spekulatywne ich myślenie.,
Wielu uważa, że kiedy Wszechświat miał około 10-36 sekund, doszło do pewnego rodzaju wrzenia przestrzeni, zwanego inflacją, która bardzo mocno i z ogromną szybkością rozszerzyła wszechświat. Idea ta jest nie tylko poparta pewnymi argumentami teoretycznymi, ale także zyskuje wiarygodność dzięki swojej zdolności do wyjaśnienia pewnych istotnych faktów na temat wszechświata., Jednym z nich jest izotropia kosmiczna: promieniowanie tła wydaje się praktycznie takie samo we wszystkich kierunkach, pomimo faktu, że niebo zawiera wiele regionów, które po prostej ekstrapolacji z powrotem do Wielkiego Wybuchu, nigdy nie byłyby ze sobą w związku przyczynowym. W ujęciu inflacyjnym te różne regiony wywodzą się jednak z początkowo znacznie mniejszej dziedziny, w której zaistniałby kontakt przyczynowy niezbędny do uzyskania jednorodności temperatury i gęstości., Inflacja miałaby również efekt wygładzający, wyjaśniając tym samym wielkoskalową jednorodność wszechświata i ścisłą równowagę między efektami ekspansywnymi i grawitacyjnymi, które są faktycznie obserwowane (i które w rzeczywistości jest kolejną antropiczną ne-cessity).
znacznie bardziej spekulatywna jest próba zrozumienia ery Plancka, przed 10-43 sekundami, kiedy Wszechświat był tak mały, że trzeba go rozumieć mechanicznie. Właściwa unifikacja teorii kwantowej i ogólnej teorii względności nie została osiągnięta., W konsekwencji istnieje wiele różnych hipotetycznych relacji kosmologii kwantowej. Częstym tematem jest to, że wszechświaty mogą nieustannie powstawać w wyniku inflacji fluktuacji próżni kwantowej grawitacji, a nasz wszechświat jest tylko jednym z członków tego mnożącego się wieloświata. Twierdzenie, że proces ten reprezentowałby zdolność nauki do wyjaśnienia stworzenia z niczego, jest jedynie nadużyciem języka. Próżnia kwantowa jest silnie zorganizowanym i aktywnym medium, bardzo różniącym się od nihila.,
kosmiczne przeznaczenie
na największą skalę historia kosmosu wiąże się z ciągnięciem wojny między ekspansywnymi tendencjami Wielkiego Wybuchu a kurczącą się siłą grawitacji. Jeśli w końcu wygra grawitacja, to, co zaczęło się od Wielkiego Wybuchu, zakończy się wielkim kryzysem, gdy Wszechświat zapada się na siebie. Jeśli ekspansja zwycięży (obecnie preferowana opcja), wszechświat będzie się rozszerzał w nieskończoność, stając się coraz zimniejszy i bardziej rozcieńczony, ostatecznie rozpadając się w długo wyciągniętym, umierającym jęku.,
teologia w swoim myśleniu eschatologicznym musi uwzględniać te wiarygodne, naukowe prognostyki ewentualnej daremności obecnego procesu. Ostatecznie prosty optymizm ewolucyjny nie jest realną możliwością.
Zobacz też
fizyka i religia.
Bibliografia
Antropiczna Zasada Kosmologiczna. Oxford, 1986. Encyklopedyczny przegląd antropicznych spostrzeżeń i argumentów.
Drees, Willem. Poza Wielkim Wybuchem: Kosmologie kwantowe i Bóg. La Salle, Ill., 1990., Staranne i dość techniczne badanie możliwych związków między kosmologiami kwantowymi a teologią.
Krótka historia czasu: od Wielkiego Wybuchu do czarnych dziur. Londyn, 1988. Słynna ekspozycja autorskiej wersji kosmologii kwantowej.
Wszechświaty. Londyn, 1989. Zwięzłe i staranne ujęcie zagadnień naukowych i filozoficznych związanych z zasadą antropiczną.
Kosmologia fizyczna i filozofia. Nowy Jork, 1990. Przydatny zbiór przedruków.
Kosmiczne Pytania., Nowy Jork, 2001. Obszerny zbiór referatów wygłoszonych na konferencji sponsorowanej przez American Association for the Advancement of Science.
Polkinghorne, John. Nauka i tworzenie: poszukiwanie zrozumienia. Londyn, 1988. Naukowiec-teolog patrzy na wszechświat uważany za stworzenie.
Polkinghorne, John, and Michael Welker, eds. Koniec Świata i koniec Boga: Nauka i teologia o eschatologii. Harrisburg, Pa., 2000. Zbiór prac rozważających zagadnienia eschatologiczne w świetle współczesnej nauki.
, Przed początkiem: nasz wszechświat i inne. Londyn, 1998. Czytelny opis współczesnych idei kosmologicznych; zwolennik idei wieloświata.
Pierwsze trzy minuty: współczesny pogląd na pochodzenie wszechświata. 2D ed. Nowy Jork, 1988. Klasyczny i umiarkowanie Techniczny opis wczesnej kosmologii wszechświata.
Worthing, Mark. Bóg, stworzenie i współczesna fizyka. Minneapolis, 1996. Stworzenie rozpatrywane w świetle współczesnej fizyki.
John Polkinghorne (2005)