allmänna spekulationer om världens natur är lika gamla som de grekiska Presocratiska filosoferna, men en verkligt vetenskaplig kosmologi kunde inte formuleras förrän det fanns viss kunskap om naturens grundläggande lagar. Isaac Newtons upptäckt av universal inverse-square-law gravitation gav den första allvarliga möjligheten till en sådan strävan. Eftersom gravitationen är attraktiv var ett omedelbart problem att förklara varför universum inte kollapsade i sig själv., Planetary motions stoppade detta händer i solsystemet, men hur är det med de ”fasta stjärnorna”? Svaret som först föreslogs var att i ett universum av oändlig omfattning, befolkat jämnt av stjärnor, skulle de attraktiva krafterna i olika riktningar avbryta varandra och ge jämvikt.
det fanns dock ett problem med tanken på ett gränslöst kosmos. Varje siktlinje skulle behöva avsluta någonstans på ytan av en stjärna. År 1823 påpekade Wilhelm Olbers att detta skulle innebära att natthimlen var överallt jämnt ljus., Den moderna upplösningen av denna paradox bygger på det faktum att ljusets ändliga hastighet och universums ändliga ålder tillsammans innebär att endast ett begränsat antal stjärnor faktiskt är synliga för oss.
en viktig upptäckt gjordes i slutet av artonhundratalet av Sir William Herschel. Han upptäckte att ljusbandet som kallas Vintergatan faktiskt består av en mängd stjärnor, som utgör en stor galax av vilken solsystemet bara är en liten komponent. Tidiga spekulanter, inklusive Immanuel Kant (1724-1804), hade föreslagit att detta skulle kunna vara fallet., De föreslog också att de ljusfläckar som kallas nebulosor kan vara andra ”öuniverser”, som liknar Vintergatan men på stora avstånd från den. Frågan Var inte äntligen löst förrän det tjugonde århundradet, men tanken var redan i luften som skapade verkligheten kan vara mycket vaster än vad som tidigare hade antagits.
Avstånd till närliggande stjärnor kan mätas med parallax, det lilla skiftet i skenbart himmelskt läge när jorden rör sig runt sin bana., Utöver detta område, uppskattning avstånd beror på att upprätta en standard ljus, en ljuskälla av känd intensitet vars observerade ljusreglering sedan ger ett mått på dess avstånd. Stjärnor med regelbundet fluktuerande ljusstyrka, kallade cepheidvariabler, ger denna åtgärd, för det är känt att deras inneboende ljusstyrka är strikt korrelerad med variationsperioden. År 1924 använde Edwin Hubble denna metod för att fastställa att Andromeda-nebulosan är en avlägsen galax, som nu är känd för att vara cirka två miljoner ljusår bort från Vintergatan.,
Hubble fortsatte sedan med att göra sin största upptäckt. Ljus från avlägsna galaxer visar sig vara rodnad i jämförelse med samma ljus från en markbunden källa. Detta tolkas som på grund av effekten av recessionell rörelse, och graden av rodnad inducerad är korrelerad till recessionens hastighet. Effekten (dopplerskift) liknar förändringen i frekvensen hos en ambulanssiren på grund av fordonets rörelse. Hubble upptäckte att hastigheten vid vilken en galax viker är proportionell mot dess avstånd., Detta tolkades sedan som en effekt på grund av expansionen av rymden själv. Precis som fläckar på ytan av en ballong rör sig bort från varandra när ballongen blåses upp, så när rymden expanderar bär den galaxerna med den. Hubbles upptäckt av det expanderande universum hade en djupgående effekt på utvecklingen av kosmologisk teori.
relativistisk kosmologi
Newton betraktade utrymme som en behållare inom vilken rörelsen av materiella atomer ägde rum under flödet av absolut tid., Albert Einsteins upptäckt av teorin om allmän relativitet förändrade helt den här bilden.
1908 Einstein hade vad han ansåg som hans lyckligaste tanke. Han insåg att om han skulle falla fritt, skulle han vara helt omedveten om gravitationen. Denna till synes ganska obetydliga observation ledde honom att erkänna likvärdighetsprincipen, som ligger till grund för den allmänna relativitetsteorin., Det finns två begreppsmässigt distinkta betydelser av massa: tröghetsmassa (mäta kroppens motståndskraft mot att ha sitt tillstånd av rörelse förändrats) och gravitationsmassa (mäta styrkan i kroppens interaktion med ett gravitationsfält). Trots deras begreppsmässiga särskiljningsförmåga är dessa två åtgärder alltid numeriskt identiska. Kvantitativt är tröghets-och gravitationsmassan ekvivalent. Detta innebär att alla kroppar rör sig på samma sätt i ett gravitationsfält., Fördubbling av massan kommer att fördubbla tröghetsmotståndet mot en rörelseförändring, men det fördubblar också gravitationskraften som påverkar förändringen. Följaktligen är den resulterande rörelsen densamma. Detta universella beteende innebär att effekterna av gravitationen på enskilda kroppar kan omtolkas som en allmän följd av egenskaperna hos själva rymden, eller mer exakt, med hänsyn till Einsteins tidigare upptäckt av speciella relativitets nära ömsesidig sammanslutning av utrymme och tid, egenskaperna hos fyrdimensionell rymdtid., Begreppen utrymme, tid och materia, som hölls ganska distinkt av Newton, förenades av Einstein i en enda paketavtal. Han förvandlade gravitationsfysik till geometri. Materia kurvor rymdtid och krökning av rymdtid i sin tur påverkar vägar Materia. Det finns ingen tid utan utrymme och materia, en punkt Augustine hade insett femton århundraden tidigare.
Einstein satt att arbeta för att upptäcka ekvationerna som skulle ge kvantitativt uttryck för hans idé. Sökningen var lång, men i November 1915 slog han på dem., Omedelbart kunde han visa att de förutspådde en liten avvikelse i planetens Kvicksilverbeteende, som redan hade observerats men som hade trotsat newtonsk förklaring. Senare, 1919, bekräftade observationer av en total solförmörkelse en annan förutsägelse, relaterad till böjning av stjärnljus av solen. Övernattning Einstein blev i allmänhetens fantasi den ikoniska vetenskapliga hjälten.
denna integration av utrymme, tid och materia i en enda teori gav möjlighet att konstruera en verkligt vetenskaplig redogörelse för hela universum. Det verkade dock vara ett problem., Vid den tiden trodde fysiker fortfarande att kosmologisk teori skulle ge en statisk bild. Fysiken skulle vara den sista av Vetenskaperna för att känna igen den sanna betydelsen av temporalitet och utvecklande process. Geologerna hade kommit dit i slutet av artonhundratalet, och i mitten av artonhundratalet hade biologerna, med publiceringen av Charles Darwins ursprung av arter 1859, följt efter. I början av 1900-talet höll fysikerna fortfarande den aristoteliska uppfattningen om ett evigt förändrat kosmos. Einstein kunde inte hitta en statisk lösning av hans ekvationer., Därför, när han publicerade sina kosmologiska förslag i 1918 han mixtra med ekvationerna, lägga till en extra term (den kosmologiska konstant). Det representerade ett slags antigravity, en motbjudande kraft utformad för att motverka över stora avstånd den attraktiva kraften av konventionell gravitation.
Einstein kallade senare detta tillägg den största blunder av sitt liv., Han hade missat chansen att förutsäga ett expanderande universum, för hans omodifierade ekvationer hade lösningar (upptäckt av den ryska meteorologen Alexander Friedmann och den belgiska prästen Georges Lemaître) som motsvarade det beteende som senare observerades av Hubble. Dessutom fungerade hans föreslagna statiska lösning inte riktigt, för det var instabilt och skulle ha kollapsat under störningar.
Big Bang Cosmology
om galaxerna för närvarande rör sig isär, måste de tidigare ha varit närmare varandra., Detta leder till slutsatsen att universum vi observerar idag verkar ha uppstått från Big Bang, ett primitivt tillstånd av oerhört kondenserad och energisk Materia. Nuvarande uppskattningar Datum denna uppkomst på 13,7 miljarder år sedan.
Taken bokstavligen, Big Bang själv är ett ögonblick av oändlig densitet och energi, en singularitet som är bortom kraften i konventionell vetenskap att analysera. (Några mycket spekulativa idéer om det mycket tidiga universum, nära Big Bang, kommer att diskuteras nedan.,) Även om vissa religiösa människor (inklusive påven Pius XII) gav efter för frestelsen att tala om Big Bang som ”skapelsens ögonblick”, var detta helt klart ett teologiskt misstag. Den judisk-kristna-islamiska skapelsedoktrinen handlar om ontologiskt ursprung(varför finns det något snarare än ingenting?), snarare än tidsmässigt ursprung(hur började allt?). Gud är lika mycket skaparen idag som Gud var 13,7 miljarder år sedan. Big Bang kosmologi är mycket intressant vetenskapligt, men inte kritiskt signifikant teologiskt.,
ändå fruktade tre kosmologer, Hermann Bondi, Fred Hoyle och Thomas Gold, Att Big Bang cosmology skulle kunna gynna religion, och så på 1960-talet föreslog de en alternativ steady state-teori, bilden av ett evigt universum alltid i stort sett detsamma. Denna återgång till aristoteliska idéer förenades med recessionen av galaxerna genom antagandet av den kontinuerliga skapandet av materia, som äger rum i en takt som är för liten för att observeras men tillräcklig över tiden för att fylla i luckorna kvar av rörelsen av de redan befintliga galaxerna., Ytterligare observationsresultat har bortskaffat denna idé.
när universum expanderar kyler det. När det var en mikrosekund gammal var dess temperatur redan på den nivå där de kosmiska processerna ägde rum hade energier som var tillräckligt låga för att forskare skulle ha en tillförlitlig förståelse för deras natur. Diskussionen förenklas ytterligare av det faktum att det tidiga universum var nästan enhetligt och strukturellt, vilket gör det till ett mycket enkelt fysiskt system att överväga.,
När det var ungefär tre minuter gammalt hade universum svalnat i den utsträckning att nukleära interaktioner upphörde i kosmisk skala. Som ett resultat blev världens brutto kärnstruktur fast vid vad den fortfarande är idag, tre fjärdedelar väte och en fjärdedel helium. När kosmos var ungefär en halv miljon år gammal hade ytterligare kylning tagit den till den punkt där strålningen inte längre var energisk nog för att bryta upp några atomer som försökte bildas. Materia och strålning frikopplades sedan och den senare lämnades helt enkelt för att svalna ytterligare när kosmisk expansion fortsatte., Idag är denna strålning mycket kall, tre grader över absolut noll. Den observerades först 1964 av Arno Penzias och Robert Wilson. Känd som kosmisk bakgrundsstrålning bildar den en fossiliserad insättning kvar från big bang-eran och berättar hur universum var när det var en halv miljon år gammal. En av de saker vi lär oss är att kosmos då var mycket enhetlig, med fluktuationer om medeldensiteten som inte uppgår till mer än en del på tio tusen., Denna bakgrundsstrålning betalade till steady state-teorin, som inte kunde förklara dess egenskaper på det naturliga sätt som var möjligt för Big Bang cosmology.
gravitationen har den långsiktiga effekten av att öka små fluktuationer. Lite mer materia här än där producerade lite mer attraktion här än där, vilket utlöste en snöbollseffekt genom vilken universum så småningom blev lumpy med galaxer och stjärnor. Vid en kosmisk ålder på en miljard år var denna process i full gång. När stjärnorna kondenserade, värmde de upp och kärnreaktioner började igen på lokal skala., Ursprungligen brinner stjärnor genom att omvandla väte till helium. Vid ett senare stadium av stjärnutveckling bildas tyngre element, såsom kol och syre, genom ytterligare kärnprocesser. Inuti en stjärna kan denna sekvens inte komma bortom järn, den mest stabila av kärnkraftsarterna. I slutet av sitt liv exploderar vissa stjärnor som supernovor, inte bara sprider de element de har gjort ut i miljön, utan också i själva explosionsprocessen genererar de saknade elementen bortom järn. På detta sätt blev de nittiotvå kemiska elementen så småningom tillgängliga., En av de stora triumferna i 1900-talets astrofysik unraveling detaljerna i de känsliga processerna av nukleosyntes. När en andra generation av stjärnor och planeter bildades fanns det en kemisk miljö som var tillräckligt rik för att möjliggöra livets utveckling. Således började en av de mest anmärkningsvärda utvecklingen i kosmisk historia som vi kände till. Med den slutliga gryningen av självmedvetenhet blev universum medvetet om sig själv.,
den antropiska principen
När forskare kom för att förstå de evolutionära processerna i kosmisk historia började de inse att möjligheten till utveckling av kolbaserat liv berodde kritiskt på detaljerna i naturens lagar som faktiskt fungerade i universum. Samlingen av insikter som pekar på denna slutsats har fått namnet på den antropiska principen, även om kolprincipen skulle ha varit ett bättre val eftersom det är livets generalitet, snarare än Homo sapiens specificitet, som är inblandad., Många exempel har getts på dessa antropiska ” fina stämningar.”
En tillhandahålls av de stjärnprocesser genom vilka de element som är nödvändiga för livet har bildats. Varje kolatom i varje levande kropp var en gång inuti en stjärna, och processen med vilken kolet gjordes beror kritiskt på de kvantitativa detaljerna i kärnfysik. Tre heliumkärnor måste kombineras för att göra kol. Man skulle förvänta sig en tvåstegsprocess, två helium först smältning för att bilda beryllium, och sedan en tredje helium läggs på för att göra kol., Det finns dock ett problem eftersom beryllium är mycket instabilt och detta gör det andra steget problematiskt. Faktum är att det bara är möjligt eftersom det visar sig vara en väsentlig förbättringseffekt (en resonans) som förekommer vid exakt rätt energi. Om kärnkrafterna skiljer sig från vad de faktiskt är, skulle denna resonans vara på fel plats och det skulle inte finnas något kol alls. När Hoyle upptäckte detta märkliga sammanträffande kände han att det inte bara kunde vara en lycklig olycka, men det måste finnas någon intelligens som ligger bakom den.
exempel kan multipliceras., Att utveckla livet på en planet beror på dess stjärna som ger en långlivad och pålitlig energikälla. Stjärnor brinner på detta sätt i vårt universum eftersom tyngdkraften är sådan att den tillåter det. Den mest krävande antropiska finjusteringen avser Einsteins kosmologiska konstant. Modernt tänkande har återupplivat detta begrepp, men dess styrka måste vara extremt svag för att förhindra att universum antingen kollapsar eller blåser ifrån varandra. Många kosmologer tror att kraften (vanligtvis kallad mörk energi) faktiskt är närvarande, men på en nivå som bara är 10-120 av vad man skulle betrakta som sitt naturliga värde., Något större än detta lilla antal skulle ha gjort utvecklingen av livet, eller någon komplex kosmisk struktur, helt omöjligt.
dessa vetenskapliga insikter är okontroversiella, men vad deras djupare, metavetenskapliga betydelse kan anses vara har varit starkt ifrågasatt. Få är beredda att behandla dessa antropiska sammanträffanden som bara glada olyckor, och därför har två kontrasterande förklarande förslag rönt stor uppmärksamhet., Man ser universum som en gudomlig skapelse och förklarar dess finjusterade specificitet som ett uttryck för Skaparens vilja att det ska kunna ha en fruktbar historia. Den andra är multiverse-metoden, förutsatt att detta speciella universum bara är en medlem av en stor portfölj av olika befintliga världar, var och en skiljer sig från varandra och var och en har sina egna naturlagar och omständigheter. Vårt universum är helt enkelt det i denna enorma kosmiska array där utvecklingen av kolbaserat liv av en slump är en möjlighet., Även om det finns mycket spekulativa vetenskapliga idéer som i viss mån kan uppmuntra multiversaltänkande (se nedan), gör den unobservable prodigality av multiverse-metoden det verkar som ett metafysiskt förslag av stor extravagans, som verkar göra bara ett förklarande arbete för att desarmera hotet om teismen.
det mycket tidiga universum
ju närmare forskare försöker trycka på Big Bang, desto mer extrema är regimerna inblandade och därför ju mer spekulativt deras tänkande.,
många tror att när universum var omkring 10-36 sekunder gammalt inträffade en slags kokning av rymden, kallad inflation, som utvidgade universum mycket mycket och med enorm snabbhet. Tanken stöds inte bara av några teoretiska argument, men får också trovärdighet genom sin förmåga att förklara några viktiga fakta om universum., En är kosmisk isotropi: bakgrundsstrålningen verkar nästan densamma i alla riktningar trots att himlen innehåller många regioner som, på en enkel extrapolering tillbaka till Big Bang, aldrig skulle ha varit i kausal kontakt med varandra. På en inflationsmässig bild härrör emellertid dessa olika regioner från ett initialt mycket mindre område där det skulle ha funnits den orsakskontakt som är nödvändig för att skapa enhetlighet i temperatur och densitet., Inflationen skulle också ha haft en utjämnande effekt, vilket förklarar universums storskaliga homogenitet och den nära balansen mellan expansiva och gravitationella effekter som faktiskt observeras (och som i själva verket är en annan antropisk ne-cession).
mycket mer spekulativt är försöket att förstå Planck-eran, före 10-43 sekunder, när universum var så litet att det måste förstås kvant mekaniskt. Korrekt förening av kvantteori och allmän relativitet har inte uppnåtts., Följaktligen finns det många olika hypotetiska konton för kvantkosmologi. Ett vanligt tema är att universum ständigt kan uppstå från inflationen av fluktuationer i kvantgravitetens ur-vakuum, och vårt universum är bara en medlem av detta prolifererande multiversum. Påståendet att denna process skulle representera vetenskapens förmåga att förklara skapandet ur ingenting, är bara ett missbruk av språk. Ett kvantvakuum är ett mycket strukturerat och aktivt medium, väldigt annorlunda än nihil.,
Cosmic Destiny
i största skala innebär kosmos historia en krigsfång mellan Big Bangs expansiva tendenser och gravitationens kontraktiva kraft. Om tyngdkraften i slutändan vinner, kommer det som började med Big Bang att sluta i big crunch, eftersom universum kollapsar i sig själv. Om expansionen vinner (det för närvarande gynnade alternativet) kommer universum att fortsätta att expandera för alltid, bli progressivt kallare och mer utspädd, så småningom förfalla i en långdragen döende whimper.,
i sitt eskatologiska tänkande måste teologin ta hänsyn till dessa tillförlitliga vetenskapliga prognoser om den eventuella meningslösheten i den nuvarande processen. I slutändan är en enkel evolutionär optimism inte en livskraftig möjlighet.
Se även
fysik och Religion.
Bibliografi
Barrow, John och Frank Tipler. Den Antropiska Kosmologiska Principen. Oxford, 1986. En encyklopedisk undersökning av antropiska insikter och argument.
Drees, Willem. Bortom Big Bang: Quantum Cosmologies Och Gud. La Salle, Sjuk., 1990., En noggrann och ganska teknisk undersökning av möjliga samband mellan kvantkosmologier och teologi.
Hawking, Stephen. En kort historia av tid: från Big Bang till svarta hål. London, 1988. Berömd utställning av författarens speciella version av quantum cosmology.
Leslie, John. Universum. London, 1989. En kortfattad och noggrann redogörelse för vetenskapliga och filosofiska frågor som rör den antropiska principen.
Leslie, John, ed. Fysisk kosmologi och filosofi. New York, 1990. En användbar samling av omtryckta papper.
Miller, James, ed. Kosmiska Frågor., New York, 2001. En omfattande samling av papper som ges vid en konferens sponsrad av American Association for the Advancement of Science.
Polkinghorne, John. Vetenskap och skapande: sökandet efter förståelse. London, 1988. En forskare-teolog tittar på universum som betraktas som en skapelse.
Polkinghorne, John och Michael Welker, red. Världens ände och Guds ändar: vetenskap och teologi om eskatologi. Harrisburg, Pappa., 2000. En samling papper med tanke på eskatologiska frågor mot bakgrund av modern vetenskap.
Rees, Martin., Före början: vårt universum och andra. London, 1998. Läsbar redogörelse för moderna kosmologiska idéer; stödjande av idén om ett multiversum.
Weinberg, Steven. De första tre minuterna: en Modern syn på universums ursprung. 2d ed. New York, 1988. Klassisk och måttligt teknisk redogörelse för tidig universums kosmologi.
Worthing, markera. Gud, skapelse och samtida fysik. Minneapolis, 1996. Skapande anses i ljuset av modern fysik.
John Polkinghorne (2005)