Was ist Kosmologie und warum ist sie wichtig? (2023)

Kosmologie kann eine schwer zu beherrschende Disziplin sein, da es sich um einen Studienbereich innerhalb der Physik handelt, der viele andere Bereiche berührt. (Obwohl heutzutage in Wahrheit so gut wie alle Studienbereiche der Physik viele andere Bereiche berühren.) Was ist Kosmologie? Was machen die Leute, die es studieren (Kosmologen genannt), eigentlich? Welche Beweise gibt es, die ihre Arbeit stützen?

Kosmologie auf einen Blick

Kosmologieist die Disziplin der Wissenschaft, die den Ursprung und das letztendliche Schicksal des Universums untersucht. Sie ist am engsten mit den spezifischen Bereichen der Astronomie und Astrophysik verbunden, obwohl das letzte Jahrhundert auch die Kosmologie eng mit wichtigen Erkenntnissen der Teilchenphysik in Einklang gebracht hat.

Mit anderen Worten, wir gelangen zu einer faszinierenden Erkenntnis:

Unser Verständnis der modernen Kosmologie beruht auf der Verknüpfung des Verhaltens dergrößtenStrukturen in unserem Universum (Planeten, Sterne, Galaxien und Galaxienhaufen) zusammen mit denen deram kleinstenStrukturen in unserem Universum (Grundteilchen).

Geschichte der Kosmologie

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

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

Du hast die Idee.

Die Alten hatten einige recht gute Erklärungsversuche. Das wichtigste davon in der westlichen wissenschaftlichen Tradition ist dasPhysik der alten Griechen, der ein umfassendes geozentrisches Modell des Universums entwickelte, das im Laufe der Jahrhunderte bis zur Zeit des Ptolemäus verfeinert wurde. Zu diesem Zeitpunkt entwickelte sich die Kosmologie mehrere Jahrhunderte lang nicht wirklich weiter, außer in einigen Details über die Geschwindigkeiten der verschiedenen Komponenten des Universums das System.

Der nächste große Fortschritt auf diesem Gebiet kam von Nikolaus Kopernikus im Jahr 1543, als er auf seinem Sterbebett sein Astronomiebuch veröffentlichte (in der Erwartung, dass es zu Kontroversen mit der katholischen Kirche führen würde), in dem er die Beweise für sein heliozentrisches Modell des Sonnensystems darlegte. Die wichtigste Erkenntnis, die diesen Denkwandel motivierte, war die Vorstellung, dass es keinen wirklichen Grund für die Annahme gab, dass die Erde eine grundsätzlich privilegierte Stellung im physischen Kosmos einnimmt. Diese Änderung der Annahmen wird als bekanntKopernikanisches Prinzip. Das heliozentrische Modell von Kopernikus wurde aufgrund der Arbeit von Tycho Brahe noch beliebter und akzeptiert.Galileo Galilei, UndJohannes Kepler, der umfangreiche experimentelle Beweise zur Unterstützung des kopernikanischen heliozentrischen Modells sammelte.

Es warHerr Isaac Newtondem es jedoch gelang, all diese Entdeckungen zusammenzuführen, um die Planetenbewegungen tatsächlich zu erklären. Er hatte die Intuition und Einsicht, um zu erkennen, dass die Bewegung von Objekten, die auf die Erde fallen, der Bewegung von Objekten ähnelt, die die Erde umkreisen (im Wesentlichen fallen diese Objekte kontinuierlich).umdie Erde). Da diese Bewegung ähnlich war, erkannte er, dass sie wahrscheinlich durch dieselbe Kraft verursacht wurde, die er nannteSchwere. Durch sorgfältige Beobachtung und die Entwicklung neuer Mathematik genanntInfinitesimalrechnungund seindrei Bewegungsgesetzekonnte Newton Gleichungen erstellen, die diese Bewegung in verschiedenen Situationen beschreiben.

Obwohl Newtons Gravitationsgesetz die Bewegung des Himmels vorhersagte, gab es ein Problem: Es war nicht ganz klar, wie es funktionierte. Die Theorie ging davon aus, dass Objekte mit Masse sich gegenseitig im Raum anziehen, doch Newton war nicht in der Lage, eine wissenschaftliche Erklärung für den Mechanismus zu entwickeln, den die Schwerkraft dazu nutzte. Um das Unerklärliche zu erklären, stützte sich Newton auf einen generischen Appell an Gott: Grundsätzlich verhalten sich Objekte auf diese Weise als Reaktion auf Gottes perfekte Präsenz im Universum. Um eine physikalische Erklärung zu erhalten, würde es über zwei Jahrhunderte dauern, bis ein Genie auftauchte, dessen Intellekt sogar den von Newton in den Schatten stellen konnte.

Allgemeine Relativitätstheorie und der Urknall

Newtons Kosmologie dominierte die Wissenschaft bis zum Beginn des 20. JahrhundertsAlbert Einsteinentwickelte seine Theorie vongenerelle Relativität, der das wissenschaftliche Verständnis der Schwerkraft neu definierte. In Einsteins neuer Formulierung wurde die Schwerkraft durch die Krümmung 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. Ziemlich schnell erkannten Wissenschaftler, dass die allgemeine Relativitätstheorie vorhersagte, dass sich die Raumzeit entweder ausdehnen oder zusammenziehen würde. Glaubt Einstein, dass das Universum tatsächlich ewig sei? Er führte eine kosmologische Konstante in die Theorie ein, die für einen Druck sorgte, der der Expansion oder Kontraktion entgegenwirkte. Als der Astronom Edwin Hubble jedoch schließlich 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 ausdehnte, dann ist die natürliche Schlussfolgerung, dass man, wenn man das Universum zurückspulen würde, sehen würde, dass es in einem winzigen, dichten Klumpen Materie begonnen haben muss. Diese Theorie über die Entstehung des Universums wurde als Urknalltheorie bezeichnet. Diese Theorie war in der Mitte des 20. Jahrhunderts eine umstrittene Theorie, da sie um die Vorherrschaft gegenüber Fred Hoyles Theorie wetteiferteSteady-State-Theorie. Die Entdeckung der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung im Jahr 1965 bestätigte jedoch eine Vorhersage, die im Zusammenhang mit dem Urknall gemacht worden war, und fand so unter Physikern breite Akzeptanz.

Obwohl sich herausstellte, dass er sich in Bezug auf die Steady-State-Theorie geirrt hatte, werden Hoyle die wichtigsten Entwicklungen in der Theorie zugeschriebenSternnukleosyntheseDabei handelt es sich um die Theorie, dass Wasserstoff und andere leichte Atome in den Kernschmelztiegeln, den sogenannten Sternen, in schwerere Atome umgewandelt werden und beim Tod des Sterns ins Universum ausgespuckt werden. Aus diesen schwereren Atomen entstehen dann Wasser, Planeten und letztendlich Leben auf der Erde, einschließlich Menschen! So sind wir alle, um es mit den Worten vieler ehrfürchtiger Kosmologen zu sagen, aus Sternenstaub geformt.

Wie auch immer, zurück zur Entwicklung des Universums. Als Wissenschaftler mehr Informationen über das Universum erlangten und die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung sorgfältiger maßen, gab es ein Problem. Als detaillierte Messungen astronomischer Daten durchgeführt wurden, wurde klar, dass Konzepte aus der Quantenphysik eine stärkere Rolle beim Verständnis der frühen Phasen und der Entwicklung des Universums spielen mussten. Dieses Gebiet der theoretischen Kosmologie ist zwar immer noch höchst spekulativ, hat sich jedoch recht fruchtbar entwickelt und wird manchmal als Quantenkosmologie bezeichnet.

Die Quantenphysik zeigte ein Universum, das in Bezug auf Energie und Materie nahezu einheitlich, aber nicht völlig einheitlich war. Allerdings hätten sich alle Schwankungen im frühen Universum im Laufe der Milliarden von Jahren, in denen sich das Universum ausdehnte, stark ausgeweitet ... und die Schwankungen waren viel geringer, als man erwarten würde. Daher mussten Kosmologen einen Weg finden, ein ungleichmäßiges frühes Universum zu erklären, das jedoch vorhanden warnuräußerst geringe Schwankungen.

Da kommt Alan Guth ins Spiel, ein Teilchenphysiker, der dieses Problem 1980 mit der Entwicklung von angingInflationstheorie. Die Fluktuationen im frühen Universum waren geringfügige Quantenfluktuationen, aber sie dehnten sich im frühen Universum aufgrund einer ultraschnellen Expansionsperiode schnell aus. Astronomische Beobachtungen seit 1980 haben die Vorhersagen der Inflationstheorie gestützt und sind heute die übereinstimmende Ansicht der meisten Kosmologen.

Geheimnisse der modernen Kosmologie

Obwohl die Kosmologie im letzten Jahrhundert große Fortschritte gemacht hat, gibt es immer noch einige offene Rätsel. Tatsächlich sind zwei der zentralen Rätsel der modernen Physik die dominierenden Probleme der Kosmologie und Astrophysik:

• Dunkle Materie – Einige Galaxien bewegen sich auf eine Art und Weise, die anhand der Menge an Materie, die in ihnen beobachtet wird (sogenannte „sichtbare Materie“), nicht vollständig erklärt werden kann, die jedoch erklärt werden kann, wenn es in der Galaxie zusätzliche unsichtbare Materie gibt. Diese zusätzliche Materie, die nach neuesten Messungen voraussichtlich etwa 25 % des Universums ausmachen wird, wird Dunkle Materie genannt. Neben astronomischen Beobachtungen werden auch Experimente auf der Erde durchgeführt, zSuche nach kryogener Dunkler Materie (CDMS)versuchen, dunkle Materie direkt zu beobachten.
• Dunkle Energie- Im Jahr 1998 versuchten Astronomen, die Geschwindigkeit zu bestimmen, mit der sich das Universum verlangsamte ... aber sie stellten fest, dass es sich nicht verlangsamte. Tatsächlich beschleunigte sich die Beschleunigung. Es scheint, dass Einsteins kosmologische Konstante doch nötig war, aber anstatt das Universum im Gleichgewicht zu halten, scheint sie die Galaxien im Laufe der Zeit tatsächlich immer schneller auseinanderzudrücken. Es ist nicht genau bekannt, was diese „abstoßende Schwerkraft“ verursacht, aber die Physiker haben dieser Substanz den Namen „dunkle Energie“ gegeben. Astronomische Beobachtungen sagen voraus, dass diese dunkle Energie etwa 70 % der Substanz des Universums ausmacht.

Es gibt einige andere Vorschläge, um diese ungewöhnlichen Ergebnisse zu erklären, wie zum Beispiel die modifizierte Newtonsche Dynamik (MOND) und die Kosmologie mit variabler Lichtgeschwindigkeit, aber diese Alternativen gelten als Randtheorien, die von vielen Physikern auf diesem Gebiet nicht akzeptiert werden.

Ursprünge des Universums

Es ist erwähnenswert, dass die Urknalltheorie tatsächlich die Art und Weise beschreibt, wie sich das Universum seit kurz nach seiner Entstehung entwickelt hat, aber keine direkten Informationen über die tatsächlichen Ursprünge des Universums liefern kann.

Das soll nicht heißen, dass uns die Physik nichts über den Ursprung des Universums sagen kann. Wenn Physiker den kleinsten Maßstab des Weltraums erforschen, stellen sie fest, dass die Quantenphysik zur Erzeugung virtueller Teilchen führt, wie dies beweistCasimir-Effekt. Tatsächlich sagt die Inflationstheorie voraus, dass sich die Raumzeit ohne jegliche Materie oder Energie ausdehnen würde. Für bare Münze genommen liefert dies den Wissenschaftlern daher eine vernünftige Erklärung dafür, wie das Universum ursprünglich entstehen konnte. Wenn es ein wahres „Nichts“ gäbe, keine Materie, keine Energie, keine Raumzeit, dann wäre dieses Nichts instabil und würde beginnen, Materie, Energie und eine expandierende Raumzeit zu erzeugen. Dies ist die zentrale These von Büchern wieDas große DesignUndEin Universum aus dem Nichts, die davon ausgehen, dass das Universum ohne Bezug auf eine übernatürliche Schöpfergottheit erklärt werden kann.

Die Rolle der Menschheit in der Kosmologie

Man kann die kosmologische, philosophische und vielleicht sogar theologische Bedeutung der Erkenntnis, dass die Erde nicht das Zentrum des Kosmos ist, kaum überbetonen. In diesem Sinne ist die Kosmologie eines der frühesten Gebiete, das Beweise lieferte, die im Widerspruch zur traditionellen religiösen Weltanschauung standen. Tatsächlich schien jeder Fortschritt in der Kosmologie im Widerspruch zu den am meisten geschätzten Annahmen zu stehen, die wir gerne darüber machen würden, wie besonders die Menschheit als Spezies ist ... zumindest im Hinblick auf die kosmologische Geschichte. Diese Passage ausDas große DesignvonStephen Hawkingund Leonard Mlodinow legt eloquent den Wandel im Denken dar, der sich aus der Kosmologie ergibt:

Das heliozentrische Modell des Sonnensystems von Nikolaus Kopernikus gilt als erster überzeugender wissenschaftlicher Beweis dafür, dass wir Menschen nicht der Mittelpunkt des Kosmos sind. Wir erkennen jetzt, dass das Ergebnis von Kopernikus nur eines aus einer Reihe verschachtelter Herabstufungen ist, die lange herabgestuft wurden - Annahmen über den Sonderstatus der Menschheit: Wir befinden uns nicht im Zentrum des Sonnensystems, wir befinden uns nicht im Zentrum der Galaxie, wir befinden uns nicht im Zentrum des Universums, wir sind nicht einmal besteht aus den dunklen Bestandteilen, die den größten Teil der Masse des Universums ausmachen. Eine solche kosmische Herabstufung ... veranschaulicht, was Wissenschaftler heute das kopernikanische Prinzip nennen: Im Großen und Ganzen deutet alles, was wir wissen, darauf hin, dass der Mensch keine privilegierte Stellung einnimmt.