จักรวาล

Send

จักรวาลคืออะไร นั่นคือคำถามหนึ่งที่โหลดอย่างกว้างขวาง! ไม่ว่าจะใช้มุมใดในการตอบคำถามนั้นเราอาจใช้เวลาหลายปีในการตอบคำถามนั้นและแทบจะไม่เกาเลย ในแง่ของเวลาและสถานที่มันมีขนาดใหญ่เกินสมควร (และอาจไม่มีที่สิ้นสุด) และเก่าแก่อย่างไม่น่าเชื่อตามมาตรฐานของมนุษย์ การอธิบายอย่างละเอียดจึงเป็นงานที่ยิ่งใหญ่ แต่เราที่ Space Magazine มุ่งมั่นที่จะลอง!

จักรวาลคืออะไร คำตอบสั้น ๆ ก็คือมันคือผลรวมของการมีอยู่ทั้งหมด นับเป็นเวลาทั้งหมดอวกาศสสารและพลังงานที่เริ่มขยายตัวเมื่อประมาณ 13.8 พันล้านปีก่อนและขยายตัวอย่างต่อเนื่องนับตั้งแต่นั้นมา ไม่มีใครรู้แน่ชัดว่าเอกภพนั้นกว้างใหญ่เพียงใดและไม่มีใครแน่ใจว่ามันจะจบลงอย่างไร แต่การวิจัยและการศึกษาอย่างต่อเนื่องได้สอนเรามากมายในประวัติศาสตร์ของมนุษย์

ความหมาย:

คำว่า "จักรวาล" มาจากคำภาษาละตินว่า "universum" ซึ่งถูกใช้โดยรัฐบุรุษโรมันซิเซโรและต่อมานักเขียนชาวโรมันที่อ้างถึงโลกและจักรวาลตามที่พวกเขารู้ สิ่งนี้ประกอบไปด้วยโลกและสิ่งมีชีวิตทุกชนิดที่อาศัยอยู่ในนั้นเช่นเดียวกับดวงจันทร์ดวงอาทิตย์ดาวเคราะห์ที่รู้จักกันดี (ดาวพุธดาวศุกร์ดาวอังคารดาวพฤหัสดาวเสาร์) และดวงดาว

คำว่า "จักรวาล" มักจะใช้แทนกันได้กับจักรวาล มันมาจากคำภาษากรีก คอสมอสซึ่งแปลว่า“ โลก” อย่างแท้จริง คำอื่น ๆ ที่ใช้เพื่อกำหนดความสมบูรณ์ของการดำรงอยู่รวมถึง "ธรรมชาติ" (มาจากคำภาษาเยอรมัน Natur) และคำภาษาอังกฤษว่า "ทุกอย่าง" ผู้ใช้งานสามารถเห็นได้ในคำศัพท์ทางวิทยาศาสตร์ - เช่น "ทฤษฎีของทุกสิ่ง" (TOE)

วันนี้คำนี้มักจะใช้เพื่ออ้างถึงทุกสิ่งที่มีอยู่ในจักรวาลที่รู้จักกัน - ระบบสุริยะทางช้างเผือกและกาแลคซีที่รู้จักและ superstructures ในบริบทของวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ดาราศาสตร์และฟิสิกส์ดาราศาสตร์มันยังหมายถึงกาลอวกาศทั้งหมดพลังงานทุกรูปแบบ (เช่นรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าและสสาร) และกฎทางกายภาพที่เชื่อมโยงพวกมัน

ต้นกำเนิดของจักรวาล:

ฉันทามติทางวิทยาศาสตร์ในปัจจุบันคือจักรวาลขยายตัวจากจุดสูงสุดและความหนาแน่นของพลังงานประมาณ 13.8 พันล้านปีก่อน ทฤษฎีนี้เป็นที่รู้จักกันในนามทฤษฎีบิ๊กแบงไม่ใช่แบบจำลองจักรวาลเพียงอย่างเดียวสำหรับอธิบายต้นกำเนิดของจักรวาลและวิวัฒนาการ - ยกตัวอย่างเช่นมีทฤษฎีที่มั่นคงของรัฐหรือทฤษฎีจักรวาลสั่นสะเทือน

อย่างไรก็ตามเป็นที่ยอมรับและแพร่หลายที่สุด นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าทฤษฎีบิ๊กแบงเพียงอย่างเดียวสามารถอธิบายที่มาของสสารที่รู้จักทั้งหมดกฎของฟิสิกส์และโครงสร้างขนาดใหญ่ของจักรวาล นอกจากนี้ยังอธิบายถึงการขยายตัวของเอกภพการดำรงอยู่ของพื้นหลังไมโครเวฟคอสมิคและปรากฏการณ์อื่น ๆ อีกมากมาย

ทำงานย้อนกลับจากสถานะปัจจุบันของจักรวาลนักวิทยาศาสตร์ได้ตั้งทฤษฎีว่ามันจะต้องเกิดขึ้นที่จุดเดียวของความหนาแน่นไม่มีที่สิ้นสุดและเวลา จำกัด ที่เริ่มขยายตัว หลังจากการขยายตัวครั้งแรกทฤษฎียืนยันว่าจักรวาลเย็นพอที่จะอนุญาตให้มีการก่อตัวของอนุภาค subatomic และอะตอมง่าย ๆ ในภายหลัง เมฆยักษ์ขององค์ประกอบดั้งเดิมเหล่านี้รวมตัวกันในภายหลังด้วยแรงโน้มถ่วงเพื่อก่อตัวดาวฤกษ์และกาแลคซี

ทั้งหมดนี้เริ่มต้นขึ้นเมื่อประมาณ 13.8 พันล้านปีก่อนและถือว่าเป็นยุคของจักรวาล ผ่านการทดสอบหลักการทางทฤษฎีการทดลองที่เกี่ยวข้องกับเครื่องเร่งอนุภาคและสภาวะพลังงานสูงและการศึกษาทางดาราศาสตร์ที่ได้ตรวจสอบเอกภพลึกนักวิทยาศาสตร์ได้สร้างช่วงเวลาของเหตุการณ์ที่เริ่มต้นด้วยบิกแบงและนำไปสู่สถานะปัจจุบันของวิวัฒนาการของจักรวาล .

อย่างไรก็ตามเวลาที่เร็วที่สุดของจักรวาล - ยาวนานจากประมาณ 10^-43 ถึง 10^-11 วินาทีหลังจากบิ๊กแบง - เป็นเรื่องของการเก็งกำไรอย่างกว้างขวาง เนื่องจากกฎของฟิสิกส์ที่เรารู้ว่าพวกเขาไม่สามารถมีอยู่ในเวลานี้มันเป็นเรื่องยากที่จะเข้าใจวิธีการที่จักรวาลสามารถปกครองได้ การทดลองที่สามารถสร้างพลังงานชนิดต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องนั้นยังอยู่ในช่วงวัยทารก

ถึงกระนั้นก็ตามทฤษฎีจำนวนมากก็มีความสำคัญกับสิ่งที่เกิดขึ้นในช่วงเวลาเริ่มต้นนี้ซึ่งหลายคนเข้ากันได้ ตามทฤษฎีเหล่านี้มากมายการติดตาม Big Bang ทันทีสามารถแบ่งออกเป็นช่วงเวลาต่อไปนี้: Singularity Epoch, Inflation Epoch และ Cooling Epoch

ยังเป็นที่รู้จักกันในนามพลังค์ยุค (หรือพลังค์ยุค) ความเป็นเอกเทศเป็นช่วงเวลาที่รู้จักเร็วที่สุดของจักรวาล ในเวลานี้สสารทั้งหมดถูกรวมอยู่ในจุดเดียวที่ไม่มีที่สิ้นสุดและมีความร้อนสูง ในช่วงเวลานี้เป็นที่เชื่อกันว่าผลกระทบเชิงควอนตัมของแรงโน้มถ่วงครอบงำปฏิสัมพันธ์ทางกายภาพและไม่มีแรงทางกายภาพอื่น ๆ ที่มีความแข็งแรงเท่ากับแรงโน้มถ่วงที่เท่ากัน

ระยะเวลาพลังค์นี้ขยายจากจุด 0 ถึงประมาณ 10^-43วินาทีและตั้งชื่ออย่างนั้นเพราะสามารถวัดได้ในเวลาพลังค์เท่านั้น เนื่องจากความร้อนและความหนาแน่นสูงของสสารสถานะของจักรวาลจึงไม่เสถียรอย่างมาก มันจึงเริ่มขยายและเจ๋งนำไปสู่การรวมตัวกันของกองกำลังพื้นฐานของฟิสิกส์ จากประมาณ 10^-43 ที่สองและ 10^-36จักรวาลเริ่มข้ามอุณหภูมิการเปลี่ยนแปลง

ที่นี่เป็นที่เชื่อกันว่ากองกำลังพื้นฐานที่ปกครองจักรวาลนั้นได้เริ่มแยกจากกัน ขั้นตอนแรกในการนี้คือพลังแห่งแรงโน้มถ่วงที่แยกออกจากกองกำลังของมาตรวัดซึ่งเป็นสาเหตุของพลังนิวเคลียร์ที่แข็งแกร่งและอ่อนแอและแม่เหล็กไฟฟ้า จากนั้นจาก 10^-36ถึง 10^-32วินาทีหลังจากบิ๊กแบงอุณหภูมิของจักรวาลอยู่ในระดับต่ำพอ (10²⁸ K) แม่เหล็กไฟฟ้าและพลังนิวเคลียร์ที่อ่อนแอสามารถแยกออกจากกันได้เช่นกัน

เมื่อมีการสร้างกองกำลังพื้นฐานแห่งแรกของจักรวาลขึ้นมายุคเงินเฟ้อเริ่มยาวนานจาก 10^-32วินาทีในเวลาพลังค์ถึงจุดที่ไม่รู้จัก แบบจำลองทางดาราศาสตร์ส่วนใหญ่แนะนำว่าจักรวาล ณ จุดนี้เต็มไปด้วยความหนาแน่นของพลังงานสูงและอุณหภูมิและความดันที่สูงอย่างไม่น่าเชื่อทำให้เกิดการขยายตัวอย่างรวดเร็วและความเย็น

สิ่งนี้เริ่มต้นที่ 10^-37 วินาทีที่การเปลี่ยนเฟสที่เกิดจากการแยกของกองกำลังนำไปสู่ช่วงเวลาที่เอกภพเติบโตขึ้นแบบทวีคูณ มันก็มาถึงจุดนี้ในเวลาที่เกิด baryogenesis ซึ่งหมายถึงเหตุการณ์สมมุติที่อุณหภูมิสูงมากจนการเคลื่อนที่แบบสุ่มของอนุภาคเกิดขึ้นที่ความเร็วสัมพัทธภาพ

ด้วยเหตุนี้คู่อนุภาค - ปฏิปักษ์ทุกชนิดจึงถูกสร้างขึ้นอย่างต่อเนื่องและถูกทำลายในการชนซึ่งเชื่อว่าจะนำไปสู่การครอบงำของสสารเหนือแอนทายแมทเทอร์ในจักรวาลปัจจุบัน หลังจากหยุดอัตราเงินเฟ้อจักรวาลประกอบด้วยพลาสมาควาร์ก - กลูออนและอนุภาคมูลฐานอื่น ๆ ทั้งหมด จากจุดนี้เป็นต้นไปจักรวาลเริ่มเย็นลงและสสารรวมตัวกันและก่อตัวขึ้น

เมื่อเอกภพลดลงอย่างต่อเนื่องในความหนาแน่นและอุณหภูมิการระบายความร้อนเริ่มขึ้น นี่เป็นลักษณะของพลังงานของอนุภาคที่ลดลงและการเปลี่ยนเฟสอย่างต่อเนื่องจนกระทั่งพลังพื้นฐานของฟิสิกส์และอนุภาคมูลฐานเปลี่ยนเป็นรูปแบบปัจจุบัน เนื่องจากพลังงานของอนุภาคจะลดลงสู่ค่าที่สามารถได้รับจากการทดลองทางฟิสิกส์ของอนุภาคระยะเวลานี้เป็นต้นไปจึงมีการเก็งกำไรน้อยลง

ตัวอย่างเช่นนักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าประมาณ 10^-11 วินาทีหลังจากบิ๊กแบงพลังงานอนุภาคลดลงอย่างมาก ประมาณ 10^-6 วินาทีควาร์กและกลูออนรวมตัวกันเพื่อก่อตัวเป็นแบริออนเช่นโปรตอนและนิวตรอน

เนื่องจากอุณหภูมิไม่สูงพอที่จะสร้างคู่โปรตอน - แอนติโปรตรอนใหม่ (หรือนิวตรอน - แอนนีทตรอนคู่) การทำลายล้างจำนวนมากตามมาทันทีทิ้งเพียงหนึ่งใน 10¹⁰ ของโปรตอนและนิวตรอนดั้งเดิมและไม่มีปฏิปักษ์ของมัน กระบวนการที่คล้ายกันนี้เกิดขึ้นในเวลาประมาณ 1 วินาทีหลังจากบิกแบงสำหรับอิเล็กตรอนและโพสิตรอน

หลังจากการทำลายล้างเหล่านี้โปรตอนนิวตรอนและอิเล็กตรอนที่เหลือก็ไม่เคลื่อนที่เชิงสัมพัทธภาพอีกต่อไปและความหนาแน่นพลังงานของเอกภพนั้นถูกครอบงำโดยโฟตอน - และนิวตรอนน้อยลง ไม่กี่นาทีในการขยายตัวช่วงเวลาที่รู้จักกันเป็นบิ๊กแบงนิวคลีโนซินก็เริ่ม

ด้วยอุณหภูมิที่ลดลงถึง 1 พันล้านเคลวินและความหนาแน่นของพลังงานลดลงไปเท่ากับอากาศนิวตรอนและโปรตอนเริ่มรวมตัวกันเพื่อก่อตัวเป็นดิวทีเรียมแรกของจักรวาล (ไอโซโทปมั่นคงของไฮโดรเจน) และอะตอมฮีเลียม อย่างไรก็ตามโปรตอนของจักรวาลส่วนใหญ่ยังคงไม่รวมตัวกันเป็นนิวเคลียสไฮโดรเจน

หลังจากประมาณ 379,000 ปีอิเล็กตรอนรวมกับนิวเคลียสเหล่านี้เพื่อสร้างอะตอม (อีกครั้งส่วนใหญ่เป็นไฮโดรเจน) ในขณะที่การแผ่รังสีแยกออกจากสสารและยังคงขยายตัวผ่านอวกาศอย่างต่อเนื่องส่วนใหญ่ไม่มีข้อ จำกัด การแผ่รังสีนี้เป็นที่รู้จักกันว่าเป็นสิ่งที่ประกอบไปด้วยพื้นหลังไมโครเวฟอวกาศ (CMB) ซึ่งปัจจุบันเป็นแสงที่เก่าแก่ที่สุดในจักรวาล

เมื่อ CMB ขยายตัวมันจะค่อยๆสูญเสียความหนาแน่นและพลังงานและปัจจุบันคาดว่าจะมีอุณหภูมิ 2.7260 ± 0.0013 K (-270.424 ° C / -454.763 ° F) และความหนาแน่นพลังงาน 0.25 eV / cm³ (หรือ 4.005 × 10^-14 J / m³; โฟโต้ 400–500 ต่อซม³) CMB สามารถมองเห็นได้ในทุกทิศทางในระยะทางประมาณ 13.8 พันล้านปีแสง แต่การประเมินระยะทางจริงนั้นอยู่ที่ประมาณ 46 พันล้านปีแสงจากใจกลางจักรวาล

วิวัฒนาการของจักรวาล:

ตลอดระยะเวลาหลายพันล้านปีที่ผ่านมาภูมิภาคที่มีความหนาแน่นน้อยกว่าในเรื่องของเอกภพ (ซึ่งเกือบจะกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอ) เริ่มดึงดูดความสนใจซึ่งกันและกันด้วยแรงโน้มถ่วง พวกเขาเติบโตขึ้นอย่างหนาแน่นสร้างเมฆก๊าซดาวกาแลคซีและโครงสร้างทางดาราศาสตร์อื่น ๆ ที่เราสังเกตเห็นเป็นประจำในปัจจุบัน

นี่คือสิ่งที่เรียกว่า Epoch โครงสร้างเนื่องจากมันเป็นช่วงเวลาที่จักรวาลสมัยใหม่เริ่มเป็นรูปเป็นร่าง สิ่งนี้ประกอบด้วยสสารที่มองเห็นได้กระจายอยู่ในโครงสร้างที่มีขนาดต่างๆ (เช่นดาวและดาวเคราะห์ไปยังกาแลคซีกระจุกกาแลคซีและกระจุกซุปเปอร์) ซึ่งสสารกระจุกตัวอยู่และแยกออกจากกันด้วยอ่าวขนาดใหญ่ที่มีกาแลคซีจำนวนน้อย

รายละเอียดของกระบวนการนี้ขึ้นอยู่กับปริมาณและประเภทของสสารในจักรวาล สสารมืดเย็นสสารมืดอบอุ่นสสารมืดร้อนและสสารแบริออนเป็น 4 ประเภทที่แนะนำ อย่างไรก็ตามรุ่นแลมบ์ดา Cold Dark Matter (แลมบ์ดา -CDM) ซึ่งอนุภาคสสารมืดเคลื่อนที่ช้าลงเมื่อเทียบกับความเร็วของแสงถือเป็นโมเดลมาตรฐานของจักรวาลจักรวาลบิ๊กแบงเนื่องจากมันเหมาะกับข้อมูลที่มีอยู่มากที่สุด .

ในแบบจำลองนี้สสารมืดเย็นประมาณว่าสร้างขึ้นประมาณ 23% ของสสาร / พลังงานของจักรวาลในขณะที่สสารแบริออนคิดเป็นประมาณ 4.6% แลมบ์ดาอ้างถึงค่าคงที่จักรวาลซึ่งเป็นทฤษฎีที่เสนอโดยอัลเบิร์ตไอน์สไตน์ซึ่งพยายามแสดงให้เห็นว่าความสมดุลของมวลพลังงานในเอกภพยังคงไม่เปลี่ยนแปลง

ในกรณีนี้มันเกี่ยวข้องกับพลังงานมืดซึ่งทำหน้าที่เร่งการขยายตัวของเอกภพและรักษาโครงสร้างขนาดใหญ่ให้มีความสม่ำเสมอ การมีอยู่ของพลังงานมืดนั้นมีพื้นฐานมาจากหลักฐานหลายเส้นซึ่งทั้งหมดนี้บ่งบอกว่าจักรวาลนั้นถูกแทรกซึมโดยมัน จากการสำรวจพบว่าประมาณ 73% ของจักรวาลประกอบด้วยพลังงานนี้

ในช่วงแรกสุดของจักรวาลเมื่อสสารแบริออนทั้งหมดอยู่ใกล้กันมากขึ้น อย่างไรก็ตามหลังจากการขยายตัวเป็นพันล้านปีพลังงานมืดที่เพิ่มขึ้นทำให้มันเริ่มมีอิทธิพลเหนือปฏิสัมพันธ์ระหว่างกาแลคซี สิ่งนี้ก่อให้เกิดความเร่งซึ่งเป็นที่รู้จักกันในชื่อ Cosmic Acceleration Epoch

เมื่อช่วงเวลานี้เริ่มมีการอภิปราย แต่มันก็ประมาณว่าจะเริ่มประมาณ 8.8 พันล้านปีหลังจากบิ๊กแบง (5 พันล้านปีก่อน) นักจักรวาลวิทยาพึ่งพาทั้งกลศาสตร์ควอนตัมและสัมพัทธภาพทั่วไปของ Einstein เพื่ออธิบายกระบวนการวิวัฒนาการของจักรวาลที่เกิดขึ้นในช่วงเวลานี้และเมื่อใดก็ได้หลังจากยุคมหาสงคราม

ด้วยกระบวนการสังเกตการณ์และการสร้างแบบจำลองอย่างเข้มงวดนักวิทยาศาสตร์ได้กำหนดว่าช่วงวิวัฒนาการนี้สอดคล้องกับสมการภาคสนามของ Einstein แม้ว่าธรรมชาติที่แท้จริงของพลังงานมืดยังคงเป็นภาพที่ไม่ชัดเจน ยิ่งไปกว่านั้นไม่มีรุ่นที่รองรับที่สามารถระบุสิ่งที่เกิดขึ้นในจักรวาลได้ก่อนช่วงเวลาก่อนวันที่ 10^-15วินาทีหลังจากบิ๊กแบง

อย่างไรก็ตามการทดลองอย่างต่อเนื่องโดยใช้ Large Hadron Collider (LHC) ของ CERN พยายามสร้างเงื่อนไขพลังงานที่จะเกิดขึ้นในช่วง Big Bang ซึ่งคาดว่าจะเปิดเผยฟิสิกส์ที่นอกเหนือจากขอบเขตของแบบจำลองมาตรฐาน

ความก้าวหน้าใด ๆ ในพื้นที่นี้อาจนำไปสู่ทฤษฎีเอกภาพของความโน้มถ่วงควอนตัมซึ่งในที่สุดนักวิทยาศาสตร์จะสามารถเข้าใจว่าแรงโน้มถ่วงมีปฏิสัมพันธ์กับกองกำลังพื้นฐานอื่น ๆ อีกสามของฟิสิกส์ - แม่เหล็กไฟฟ้าแรงนิวเคลียร์ที่อ่อนแอและแรงนิวเคลียร์ที่แข็งแกร่ง ในทางกลับกันสิ่งนี้จะช่วยให้เราเข้าใจสิ่งที่เกิดขึ้นจริงในช่วงยุคแรกสุดของจักรวาล

โครงสร้างของจักรวาล:

ขนาดรูปร่างและโครงสร้างขนาดใหญ่ที่แท้จริงของจักรวาลเป็นหัวข้อของการวิจัยอย่างต่อเนื่อง ในขณะที่แสงที่เก่าแก่ที่สุดในจักรวาลที่สามารถมองเห็นได้คือ 13.8 พันล้านปีแสง (CMB) แต่นี่ไม่ใช่ขอบเขตที่แท้จริงของจักรวาล ระบุว่าจักรวาลอยู่ในสถานะของการขยายตัวเป็นพันล้านปีและที่ความเร็วที่เกินความเร็วแสงขอบเขตที่แท้จริงขยายออกไปไกลเกินกว่าที่เราจะมองเห็น

แบบจำลองทางดาราศาสตร์ปัจจุบันของเราบ่งชี้ว่าเอกภพมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 91 พันล้านปีแสง (28 พันล้านพาร์เซก) กล่าวอีกนัยหนึ่งจักรวาลที่สังเกตได้นั้นขยายออกไปจากระบบสุริยะของเราเป็นระยะทางประมาณ 46 พันล้านปีแสงในทุกทิศทาง อย่างไรก็ตามเนื่องจากขอบของเอกภพไม่สามารถสังเกตได้มันยังไม่ชัดเจนว่าจักรวาลมีขอบจริงหรือไม่ สำหรับทุกสิ่งที่เรารู้มันจะดำเนินต่อไปตลอดกาล!

ภายในเอกภพที่สังเกตเห็นได้สสารถูกเผยแพร่ในรูปแบบที่มีโครงสร้างสูง ภายในกาแลคซีสิ่งนี้ประกอบด้วยความเข้มข้นขนาดใหญ่ - นั่นคือดาวเคราะห์ดวงดาวและเนบิวลา - กระจายอยู่ในพื้นที่ว่างขนาดใหญ่ (เช่นพื้นที่ระหว่างดาวเคราะห์และสื่อระหว่างดวงดาว)

ทุกอย่างมีขนาดเท่ากันในระดับที่ใหญ่กว่าโดยกาแลคซีจะถูกคั่นด้วยปริมาตรของพื้นที่ที่เต็มไปด้วยก๊าซและฝุ่น ในระดับที่ใหญ่ที่สุดซึ่งมีกระจุกกาแลคซีและซุปเปอร์คลัสอยู่คุณมีเครือข่ายเล็ก ๆ ของโครงสร้างขนาดใหญ่ซึ่งประกอบด้วยเส้นใยหนาแน่นของสสารและช่องว่างของจักรวาลขนาดมหึมา

ในแง่ของรูปร่างอวกาศอาจมีอยู่ในการกำหนดค่าที่เป็นไปได้หนึ่งในสามรูปแบบ - โค้งเชิงบวกโค้งเชิงลบและแบน ความเป็นไปได้เหล่านี้ขึ้นอยู่กับการมีอยู่ของอวกาศ - เวลาอย่างน้อยสี่มิติ (พิกัด x, พิกัด y, พิกัด z และเวลา) และขึ้นอยู่กับลักษณะของการขยายตัวของจักรวาลและไม่ว่าจักรวาลจะเป็นหรือไม่ มี จำกัด หรือไม่ จำกัด

จักรวาลโค้ง (หรือปิด) ในเชิงบวกจะมีลักษณะคล้ายกับทรงกลมสี่มิติที่จะ จำกัด ในอวกาศและไม่มีขอบที่มองเห็นได้ เอกภพที่โค้งงอ (หรือเปิด) จะดูเหมือน "อาน" สี่มิติและจะไม่มีขอบเขตในอวกาศหรือเวลา

ในสถานการณ์เดิมจักรวาลจะต้องหยุดขยายตัวเนื่องจากพลังงานเหลือเฟือ ในระยะหลังจะมีพลังงานน้อยเกินไปที่จะหยุดขยายตัว ในสถานการณ์ที่สามและครั้งสุดท้าย - เอกภพแบน - จะมีพลังงานจำนวนมากและการขยายตัวของมันจะหยุดลงหลังจากเวลาไม่ จำกัด เท่านั้น

ชะตากรรมของจักรวาล:

สมมติฐานว่าจักรวาลมีจุดเริ่มต้นตามธรรมชาติทำให้เกิดคำถามเกี่ยวกับจุดสิ้นสุดที่เป็นไปได้ ถ้าจักรวาลเริ่มเป็นจุดเล็ก ๆ ที่มีความหนาแน่นไม่สิ้นสุดที่เริ่มขยายนั่นหมายความว่ามันจะขยายตัวอย่างต่อเนื่องไปเรื่อย ๆ หรือไม่? หรือวันหนึ่งมันจะหมดแรงขยายตัวและเริ่มถอยเข้ามาด้านในจนกระทั่งทุกสิ่งแตกตัวเป็นลูกบอลเล็ก ๆ ?

การตอบคำถามนี้เป็นจุดสนใจหลักของนักดาราศาสตร์ตั้งแต่การถกเถียงกันว่าแบบจำลองใดของจักรวาลที่ถูกต้อง ด้วยการยอมรับทฤษฎีบิ๊กแบง แต่ก่อนที่จะมีการสังเกตพลังงานมืดในปี 1990 นักดาราศาสตร์วิทยาได้เห็นด้วยกับสองสถานการณ์ว่าเป็นผลลัพธ์ที่น่าเป็นไปได้มากที่สุดสำหรับจักรวาลของเรา

ในครั้งแรกที่รู้จักกันทั่วไปว่าเป็นสถานการณ์“ บิ๊กขบเคี้ยว” จักรวาลจะถึงขนาดสูงสุดแล้วเริ่มยุบตัวเอง สิ่งนี้จะเป็นไปได้ก็ต่อเมื่อความหนาแน่นมวลของจักรวาลมากกว่าความหนาแน่นวิกฤต กล่าวอีกนัยหนึ่งตราบใดที่ความหนาแน่นของสสารยังคงอยู่ที่หรือสูงกว่าค่าที่แน่นอน (1-3 × 10)^-26 กิโลกรัมของสสารต่อลูกบาศก์เมตร) จักรวาลจะหดตัวในที่สุด

อีกทางหนึ่งถ้าความหนาแน่นในจักรวาลเท่ากับหรือต่ำกว่าความหนาแน่นวิกฤตการขยายตัวจะช้าลง แต่ไม่หยุด ในสถานการณ์นี้เรียกว่า "การตรึงขนาดใหญ่" จักรวาลจะดำเนินต่อไปจนกว่าการก่อตัวของดาวจะหยุดลงในที่สุดด้วยการบริโภคก๊าซระหว่างดวงดาวทั้งหมดในแต่ละกาแลคซี ในขณะเดียวกันดาวฤกษ์ที่มีอยู่ทั้งหมดจะไหม้และกลายเป็นดาวแคระขาวดาวนิวตรอนและหลุมดำ

การชนกันระหว่างหลุมดำเหล่านี้จะค่อยๆส่งผลให้มวลรวมตัวกันเป็นหลุมดำที่ใหญ่ขึ้นและใหญ่ขึ้น อุณหภูมิเฉลี่ยของจักรวาลจะเข้าใกล้ศูนย์สัมบูรณ์และหลุมดำจะระเหยไปหลังจากการแผ่รังสีฮอว์คิงครั้งสุดท้าย ในที่สุดเอนโทรปีของจักรวาลจะเพิ่มขึ้นจนถึงจุดที่ไม่สามารถสกัดพลังงานรูปแบบที่เป็นระเบียบออกมาได้ (สถานการณ์ที่เรียกว่า "การตายด้วยความร้อน")

การสังเกตการณ์สมัยใหม่ซึ่งรวมถึงการมีอยู่ของพลังงานมืดและอิทธิพลที่มีต่อการขยายตัวของจักรวาลได้นำไปสู่ข้อสรุปว่าจักรวาลที่มองเห็นได้ในปัจจุบันจะมากขึ้นเรื่อย ๆ จะผ่านพ้นขอบฟ้าเหตุการณ์ของเรา (เช่น CMB ขอบของสิ่งที่เราเห็น) และกลายเป็นมองไม่เห็นเรา ผลสุดท้ายของสิ่งนี้ยังไม่เป็นที่รู้จักในขณะนี้ แต่“ ความตายด้วยความร้อน” ถือเป็นจุดสิ้นสุดที่น่าจะเกิดขึ้นในสถานการณ์นี้เช่นกัน

คำอธิบายอื่น ๆ ของพลังงานมืดที่เรียกว่าทฤษฎีทฤษฎีพลังงานผีแสดงให้เห็นว่าในที่สุดกลุ่มกาแลคซี, ดาว, ดาวเคราะห์, อะตอม, นิวเคลียสและสสารจะถูกฉีกออกจากการขยายตัวที่เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ สถานการณ์นี้เป็นที่รู้จักกันในนาม "บิ๊กริป" ซึ่งการขยายตัวของเอกภพในที่สุดก็จะเป็นการยกเลิก

ประวัติการศึกษา:

พูดอย่างเคร่งครัดมนุษย์ได้ไตร่ตรองและศึกษาธรรมชาติของจักรวาลมาตั้งแต่สมัยก่อนประวัติศาสตร์ เช่นนี้เรื่องราวเริ่มแรกของการที่จักรวาลมาเป็นตำนานในธรรมชาติและถ่ายทอดจากปากเปล่าจากรุ่นสู่รุ่น ในเรื่องราวเหล่านี้โลกพื้นที่เวลาและทุกชีวิตเริ่มต้นด้วยเหตุการณ์การสร้างที่ซึ่งพระเจ้าหรือพระเจ้าทรงรับผิดชอบในการสร้างทุกสิ่ง

ดาราศาสตร์ก็เริ่มปรากฏเป็นสนามแห่งการศึกษาตามเวลาของชาวบาบิโลนโบราณ ระบบของกลุ่มดาวและปฏิทินโหราศาสตร์ที่จัดทำโดยนักวิชาการชาวบาบิโลนเร็วเท่าที่สหัสวรรษที่ 2 ก่อนคริสตศักราชจะดำเนินต่อไปเพื่อแจ้งให้ทราบถึงวัฒนธรรมดาราศาสตร์และโหราศาสตร์ของวัฒนธรรมมาหลายพันปีมา

ด้วยยุคโบราณความคิดของจักรวาลที่ถูกกำหนดโดยกฎทางกายภาพเริ่มปรากฏขึ้น ระหว่างนักวิชาการกรีกและอินเดียคำอธิบายสำหรับการสร้างเริ่มกลายเป็นปรัชญาในธรรมชาติเน้นสาเหตุและผลมากกว่าหน่วยงานของพระเจ้า ตัวอย่างแรกสุด ได้แก่ Thales และ Anaximander นักวิชาการชาวกรีกยุคก่อนโสกราตีสสองคนซึ่งเป็นที่ถกเถียงกันว่าทุกอย่างเกิดจากรูปแบบดั้งเดิมของสสาร

ในศตวรรษที่ 5 ก่อนคริสต์ศักราชศตวรรตที่ 1 โสคราตีสได้กลายเป็นนักวิชาการตะวันตกคนแรกที่เสนอจักรวาลที่ประกอบด้วยองค์ประกอบสี่อย่างคือดินอากาศน้ำและไฟ ปรัชญานี้ได้รับความนิยมอย่างมากในแวดวงตะวันตกและคล้ายกับระบบห้าองค์ประกอบของจีน - โลหะไม้น้ำไฟและดิน - ที่ปรากฎในเวลาเดียวกัน

มันไม่ได้เกิดขึ้นจนกว่า Democritus นักปราชญ์ชาวกรีกในคริสตศักราชศตวรรษที่ 5/4 ซึ่งเป็นเอกภพที่ประกอบด้วยอนุภาคที่แยกไม่ออก (อะตอม) นักปรัชญาชาวอินเดีย Kanada (ผู้ที่อาศัยอยู่ในศตวรรษที่ 6 หรือ 2 ก่อนคริสตศักราช) ได้นำปรัชญานี้เพิ่มเติมโดยเสนอว่าแสงและความร้อนเป็นสารชนิดเดียวกันในรูปแบบที่แตกต่างกัน นักปรัชญาชาวพุทธ CE ศตวรรษที่ 5 Dignana ได้ใช้สิ่งนี้ให้มากขึ้นโดยเสนอว่าเรื่องทั้งหมดประกอบไปด้วยพลังงาน

แนวคิดเกี่ยวกับเวลาอัน จำกัด ยังเป็นคุณลักษณะสำคัญของศาสนาอับบราฮัมมิก - ยูดายคริสต์และศาสนาอิสลาม บางทีอาจได้รับแรงบันดาลใจจากแนวคิดของโซโรอัสเตอร์ในวันแห่งการพิพากษาความเชื่อที่ว่าจักรวาลมีจุดเริ่มต้นและจุดจบจะแจ้งแนวคิดเกี่ยวกับจักรวาลวิทยาตะวันตกจนถึงปัจจุบัน

ระหว่างสหัสวรรษที่ 2 ก่อนคริสตศักราชกับ CE ศตวรรษที่ 2 ดาราศาสตร์และโหราศาสตร์ยังคงพัฒนาและพัฒนาอย่างต่อเนื่อง นอกเหนือจากการตรวจสอบการเคลื่อนไหวที่เหมาะสมของดาวเคราะห์และการเคลื่อนที่ของกลุ่มดาวผ่านจักรราศีนักดาราศาสตร์ชาวกรีกยังได้จำลองแบบจำลองทางอวกาศของจักรวาลซึ่งดวงอาทิตย์ดาวเคราะห์และดวงดาวหมุนรอบโลก

ประเพณีเหล่านี้อธิบายไว้ได้ดีที่สุดในบทความทางคณิตศาสตร์และดาราศาสตร์ในศตวรรษที่ 2 ของ CEAlmagestซึ่งเขียนโดยนักดาราศาสตร์ชาวกรีก - อียิปต์ Claudius Ptolemaeus (aka. Ptolemy) บทความนี้และแบบจำลองทางดาราศาสตร์ที่ได้รับการพิจารณาจะได้รับการพิจารณาโดยนักวิชาการชาวยุโรปและอิสลามยุคกลางมานานกว่าพันปีที่จะมาถึง

อย่างไรก็ตามก่อนการปฏิวัติทางวิทยาศาสตร์ (ศตวรรษที่ 16 ถึงศตวรรษที่ 18) มีนักดาราศาสตร์ที่เสนอแบบจำลองเฮลิเซนทริคของจักรวาลซึ่งเป็นที่ที่ดาวเคราะห์ดาวเคราะห์และดวงดาวโคจรรอบดวงอาทิตย์ สิ่งเหล่านี้รวมถึงนักดาราศาสตร์ชาวกรีก Aristarchus แห่ง Samos (ประมาณ 310 - 230 BCE) และนักดาราศาสตร์และนักปรัชญาชาวกรีก Seleucus แห่ง Seleucia แห่ง Seleucia (190 - 150 ปีก่อนคริสตศักราช)

ในช่วงยุคกลางนักปรัชญาและนักวิชาการชาวอินเดียเปอร์เซียและอาหรับได้มีการบำรุงรักษาและขยายตัวในด้านดาราศาสตร์คลาสสิก นอกเหนือจากการรักษาความคิดของ Ptolemaic และ non-Aristotelian พวกเขายังเสนอความคิดที่ปฏิวัติเช่นการหมุนของโลก นักวิชาการบางคน - เช่นนักดาราศาสตร์ชาวอินเดีย Aryabhata และนักดาราศาสตร์ชาวเปอร์เซีย Albumasar และ Al-Sijzi - แม้แต่รุ่นขั้นสูงของจักรวาล heliocentric

ในศตวรรษที่ 16 นิโคลัสโคเปอร์นิคัสได้เสนอแนวคิดที่สมบูรณ์แบบที่สุดของเอกภพเฮลิโอเซนทริกโดยการแก้ไขปัญหาทางคณิตศาสตร์ด้วยทฤษฎี ความคิดของเขาถูกแสดงออกครั้งแรกในต้นฉบับ 40 หน้าชื่อ Commentariolus (“ ความเห็นเล็ก ๆ น้อย ๆ ”) ซึ่งอธิบายโมเดลเฮลิเซนทริคตามหลักการทั่วไปเจ็ดประการ หลักการทั้งเจ็ดดังกล่าวระบุว่า:

วัตถุท้องฟ้าไม่ได้หมุนรอบจุดเดียวทั้งหมด
ศูนย์กลางของโลกเป็นศูนย์กลางของทรงกลมดวงจันทร์ - วงโคจรของดวงจันทร์รอบโลก; ทรงกลมทั้งหมดหมุนรอบดวงอาทิตย์ซึ่งอยู่ใกล้ศูนย์กลางของจักรวาล
ระยะห่างระหว่างโลกกับดวงอาทิตย์เป็นระยะทางสั้น ๆ ระหว่างโลกกับดวงอาทิตย์กับดวงดาวดังนั้นจึงไม่สังเกตดาวดวงอาทิตย์ในบริเวณดวงอาทิตย์
ดวงดาวนั้นเคลื่อนไปไม่ได้ - การเคลื่อนไหวประจำวันของพวกมันเกิดขึ้นจากการหมุนของโลกทุกวัน
โลกถูกเคลื่อนย้ายเป็นทรงกลมรอบดวงอาทิตย์ทำให้เกิดการอพยพของดวงอาทิตย์ประจำปีอย่างชัดเจน
โลกมีการเคลื่อนไหวมากกว่าหนึ่ง
การเคลื่อนที่รอบโลกของดวงอาทิตย์รอบดวงอาทิตย์ทำให้สิ่งที่ดูเหมือนจะย้อนกลับไปในทิศทางของการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์

การรักษาความคิดที่ครอบคลุมมากขึ้นของเขาได้เปิดตัวในปี 1532 เมื่อ Copernicus ทำบทประพันธ์ของเขาเสร็จ - ด้วยการปฏิวัติ coelestium orbium (ในการปฏิวัติรอบโลก). ในนั้นเขาก้าวหน้าข้อโต้แย้งหลักเจ็ดข้อของเขา แต่อยู่ในรูปแบบที่ละเอียดกว่าและมีการคำนวณอย่างละเอียดเพื่อสำรองข้อมูล เนื่องจากกลัวการกดขี่ข่มเหงและฟันเฟืองหนังสือเล่มนี้จึงไม่ปล่อยจนกว่าเขาจะตายในปีค. ศ. 1542

ความคิดของเขาจะได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้นโดยนักคณิตศาสตร์นักดาราศาสตร์และนักประดิษฐ์กาลิเลโอกาลิลีศตวรรษที่ 16 / 17th กาลิเลโอใช้กล้องโทรทรรศน์ที่สร้างขึ้นเองเพื่อบันทึกข้อสังเกตของดวงจันทร์ดวงอาทิตย์และดาวพฤหัสบดีซึ่งแสดงข้อบกพร่องในแบบจำลองศูนย์กลางโลกของจักรวาลในขณะเดียวกันก็แสดงให้เห็นถึงความสอดคล้องภายในของแบบจำลองโคเปอร์นิคัสด้วย

ข้อสังเกตของเขาถูกตีพิมพ์ในหนังสือหลายเล่มในช่วงต้นศตวรรษที่ 17 การสังเกตการณ์ของเขาบนพื้นผิวของดวงจันทร์และการสังเกตการณ์ดาวพฤหัสและดวงจันทร์ที่ใหญ่ที่สุดของเขานั้นมีรายละเอียดในปี 2153 Sidereus Nuncius (The Starry Messenger) ในขณะที่การสังเกตของเขาเป็นจุดดับไฟถูกอธิบายไว้ใน บนจุดที่สังเกตได้ในดวงอาทิตย์ (1610).

กาลิเลโอยังได้บันทึกข้อสังเกตของเขาเกี่ยวกับทางช้างเผือกใน Messenger ของ Starryซึ่งก่อนหน้านี้เชื่อกันว่าคลุมเครือ กาลิเลโอกลับพบว่ามันเป็นดาวจำนวนมากที่รวมตัวกันอย่างหนาแน่นจนดูเหมือนว่าจากระยะไกลดูเหมือนเมฆ แต่จริงๆแล้วเป็นดาวฤกษ์ที่อยู่ห่างออกไปไกลกว่าที่คิดไว้มาก

ในปี 1632 กาลิเลโอได้กล่าวถึง“ การโต้วาทีครั้งใหญ่” ในที่สุดในบทความของเขาDialogo sopra i เนื่องจาก massimi sistemi del mondo (การเสวนาเกี่ยวกับสองระบบหลักของโลก)ซึ่งเขาสนับสนุนแบบจำลองเฮลิเซนทริคเหนือศูนย์กลางโลก ด้วยการใช้การสังเกตด้วยกล้องโทรทรรศน์ของตนเองฟิสิกส์สมัยใหม่และตรรกะที่เข้มงวดข้อโต้แย้งของกาลิเลโอจึงบ่อนทำลายพื้นฐานของระบบอริสโตเติลและปโตเลมีอย่างมีประสิทธิภาพสำหรับผู้ชมที่เติบโตและเปิดกว้าง

โยฮันเนสเคปเลอร์พัฒนาแบบจำลองนี้ต่อไปด้วยทฤษฎีวงโคจรวงรีของดาวเคราะห์ เมื่อรวมกับตารางที่แม่นยำซึ่งทำนายตำแหน่งของดาวเคราะห์โมเดล Copernican ได้รับการพิสูจน์อย่างมีประสิทธิภาพ ตั้งแต่กลางศตวรรษที่สิบเจ็ดเป็นต้นมามีนักดาราศาสตร์เพียงไม่กี่คนที่ไม่ใช่ Copernicans

การสนับสนุนครั้งใหญ่ครั้งต่อไปมาจาก Sir Isaac Newton (1642/43 - 1727) ซึ่งทำงานกับ Laws of Planetary Motion ของ Kepler ทำให้เขาพัฒนาทฤษฎี Universal Gravitation ของเขา ในปี 2230 เขาได้ตีพิมพ์บทความที่โด่งดังของเขา Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica (“ หลักการทางคณิตศาสตร์ของปรัชญาธรรมชาติ”) ซึ่งมีรายละเอียดสามกฎการเคลื่อนที่ของเขา กฎหมายเหล่านี้ระบุว่า:

เมื่อดูในกรอบอ้างอิงเฉื่อยวัตถุจะยังคงนิ่งอยู่หรือเคลื่อนที่ต่อไปด้วยความเร็วคงที่เว้นแต่จะกระทำโดยแรงภายนอก
ผลรวมเวกเตอร์ของแรงภายนอก (F) บนวัตถุเท่ากับมวล (เมตร) ของวัตถุนั้นคูณด้วยเวกเตอร์การเร่งความเร็ว (a) ของวัตถุ ในรูปแบบทางคณิตศาสตร์สิ่งนี้แสดงเป็น: F =ม.
เมื่อร่างหนึ่งออกแรงจากวัตถุที่สองร่างที่สองจะออกแรงเท่ากันในขนาดและตรงกันข้ามกับทิศทางในร่างกายแรก

กฎหมายเหล่านี้อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างวัตถุใด ๆ แรงที่กระทำต่อมันและการเคลื่อนที่ที่เกิดขึ้นจึงวางรากฐานสำหรับกลศาสตร์แบบดั้งเดิม กฎยังอนุญาตให้นิวตันคำนวณมวลของดาวเคราะห์แต่ละดวงคำนวณความแบนของโลกที่ขั้วและกระพุ้งที่เส้นศูนย์สูตรและวิธีการดึงแรงโน้มถ่วงของดวงอาทิตย์และดวงจันทร์สร้างกระแสของโลก

วิธีแคลคูลัสของเขาเช่นการวิเคราะห์เชิงเรขาคณิตก็สามารถที่จะบัญชีสำหรับความเร็วของเสียงในอากาศ (ตามกฎ Boyle's), precession ของ Equinoxes - ซึ่งเขาแสดงให้เห็นว่าเป็นผลมาจากแรงดึงดูดของแรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์ไปยังโลก - และกำหนด วงโคจรของดาวหาง หนังสือเล่มนี้จะมีผลกระทบอย่างลึกซึ้งต่อวิทยาศาสตร์ด้วยหลักการที่เหลืออยู่ของแคนนอนในอีก 200 ปีข้างหน้า

การค้นพบครั้งสำคัญอีกครั้งเกิดขึ้นในปี ค.ศ. 1755 เมื่ออิมมานูเอลคานท์เสนอว่าทางช้างเผือกนั้นเป็นกลุ่มของดาวฤกษ์จำนวนมากที่ถูกรวมตัวกันด้วยแรงโน้มถ่วงร่วมกัน เช่นเดียวกับระบบสุริยจักรวาลคอลเลคชั่นดาวนี้จะหมุนและแบนเหมือนดิสก์โดยมีระบบสุริยจักรวาลฝังอยู่ภายใน

นักดาราศาสตร์ William Herschel พยายามทำแผนที่รูปร่างของทางช้างเผือกในปี 1785 แต่เขาไม่ได้ตระหนักว่าส่วนใหญ่ของกาแลคซีถูกบดบังด้วยก๊าซและฝุ่นซึ่งซ่อนรูปร่างที่แท้จริงของมันไว้ การก้าวกระโดดครั้งใหญ่ครั้งต่อไปในการศึกษาจักรวาลและกฎหมายที่ควบคุมมันไม่ได้เกิดขึ้นจนถึงศตวรรษที่ 20 ด้วยการพัฒนาทฤษฎีของ Einstein ในทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษและทั่วไป

ทฤษฎีที่แหวกแนวของ Einstein เกี่ยวกับพื้นที่และเวลา (สรุปโดยสรุปเช่นเดียวกับ E = แมค²) ส่วนหนึ่งเป็นผลมาจากความพยายามของเขาในการแก้ไขกฎกลศาสตร์ของนิวตันด้วยกฎของแม่เหล็กไฟฟ้า (ตามลักษณะของสมการแมกซ์เวลล์และกฎบังคับลอเรนซ์) ในที่สุดไอน์สไตน์จะแก้ปัญหาความไม่ลงรอยกันระหว่างสองสาขานี้โดยเสนอทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษในกระดาษ 2448 ของเขา "ในกระแสไฟฟ้าของการเคลื่อนไหวร่างกาย“.

โดยทั่วไปทฤษฎีนี้ระบุว่าความเร็วของแสงจะเท่ากันในกรอบอ้างอิงเฉื่อยทั้งหมด สิ่งนี้ทำลายด้วยฉันทามติที่ถือไว้ก่อนหน้านี้ว่าแสงที่เคลื่อนที่ผ่านตัวกลางที่เคลื่อนที่จะถูกลากไปตามสื่อนั้นซึ่งหมายความว่าความเร็วของแสงคือผลรวมของความเร็ว ตลอด สื่อบวกความเร็ว ของ สื่อนั้น ทฤษฎีนี้นำไปสู่ปัญหาต่าง ๆ ที่พิสูจน์ไม่ได้ก่อนทฤษฎีของ Einstein

สัมพัทธภาพพิเศษไม่เพียง แต่คืนดีสมการของแมกซ์เวลสำหรับไฟฟ้าและแม่เหล็กกับกฎของกลศาสตร์ แต่ยังทำให้การคำนวณทางคณิตศาสตร์ง่ายขึ้นด้วยการใช้คำอธิบายภายนอกที่นักวิทยาศาสตร์คนอื่นใช้ มันยังทำให้การดำรงอยู่ของสื่อที่ฟุ่มเฟือยทั้งหมดสอดคล้องกับความเร็วของแสงที่สังเกตโดยตรงและคิดเป็นความผิดปกติที่สังเกตได้

ระหว่างปีพ. ศ. 2450 และ 2454 ไอน์สไตน์เริ่มพิจารณาว่าสัมพัทธภาพพิเศษสามารถนำไปใช้กับสนามแรงโน้มถ่วงได้อย่างไรสิ่งที่จะเป็นที่รู้จักในชื่อว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป สิ่งนี้สิ้นสุดลงในปีพศ. 2454 โดยมีการตีพิมพ์เรื่องอิทธิพลของความโน้มถ่วงที่มีต่อการแพร่กระจายของแสง“ ซึ่งเขาทำนายว่าเวลานั้นสัมพันธ์กับผู้สังเกตการณ์และขึ้นอยู่กับตำแหน่งของพวกเขาภายในสนามโน้มถ่วง

นอกจากนี้เขายังได้พัฒนาสิ่งที่เรียกว่าหลักการสมดุลซึ่งระบุว่ามวลความโน้มถ่วงนั้นเหมือนกับมวลเฉื่อย ไอน์สไตน์ยังทำนายปรากฏการณ์การยืดเวลาความโน้มถ่วงด้วยซึ่งผู้สังเกตการณ์สองคนตั้งอยู่ที่ระยะทางต่างกันจากมวลโน้มถ่วงที่รับรู้ถึงความแตกต่างในระยะเวลาระหว่างเหตุการณ์สองเหตุการณ์ ผลพลอยได้ที่สำคัญอีกทฤษฎีของเขาคือการมีอยู่ของหลุมดำและจักรวาลที่กำลังขยายตัว

ในปี 1915 ไม่กี่เดือนหลังจาก Einstein ได้ตีพิมพ์ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปนักฟิสิกส์ชาวเยอรมันและนักดาราศาสตร์ Karl Schwarzschild พบวิธีการแก้สมการสนาม Einstein ที่อธิบายถึงสนามโน้มถ่วงของจุดและมวลทรงกลม วิธีการแก้ปัญหานี้เรียกว่า Schwarzschild radius อธิบายถึงจุดที่มวลของทรงกลมถูกบีบอัดจนความเร็วในการหลบหนีจากพื้นผิวจะเท่ากับความเร็วของแสง

ในปี 1931 นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ชาวอเมริกันอินเดียน Subrahmanyan Chandrasekhar คำนวณโดยใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษว่าวัตถุที่ไม่หมุนของอิเล็กตรอนที่เสื่อมสภาพเหนือมวลที่ จำกัด จะยุบตัว ในปี 1939 Robert Oppenheimer และคนอื่น ๆ เห็นพ้องกับการวิเคราะห์ของ Chandrasekhar โดยอ้างว่าดาวนิวตรอนที่เกินขีด จำกัด ที่กำหนดจะยุบลงในหลุมดำ

ผลที่ตามมาอีกประการหนึ่งของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปก็คือการทำนายว่าจักรวาลนั้นอยู่ในสภาวะขยายตัวหรือหดตัว ในปี 1929 เอ็ดวินฮับเบิลยืนยันว่าอดีตเป็นอย่างนั้น At the time, this appeared to disprove Einstein’s theory of a Cosmological Constant, which was a force which “held back gravity” to ensure that the distribution of matter in the Universe remained uniform over time.

To this, Edwin Hubble demonstrated using redshift measurements that galaxies were moving away from the Milky Way. What’s more, he showed that the galaxies that were farther from Earth appeared to be receding faster – a phenomena that would come to be known as Hubble’s Law. Hubble attempted to constrain the value of the expansion factor – which he estimated at 500 km/sec per Megaparsec of space (which has since been revised).

And then in 1931, Georges Lemaitre, a Belgian physicist and Roman Catholic priest, articulated an idea that would give rise to the Big Bang Theory. After confirming independently that the Universe was in a state of expansion, he suggested that the current expansion of the Universe meant that the father back in time one went, the smaller the Universe would be.

In other words, at some point in the past, the entire mass of the Universe would have been concentrated on a single point. These discoveries triggered a debate between physicists throughout the 1920s and 30s, with the majority advocating that the Universe was in a steady state (i.e. the Steady State Theory). In this model, new matter is continuously created as the Universe expands, thus preserving the uniformity and density of matter over time.

After World War II, the debate came to a head between proponents of the Steady State Model and proponents of the Big Bang Theory – which was growing in popularity. Eventually, the observational evidence began to favor the Big Bang over the Steady State, which included the discovery and confirmation of the CMB in 1965. Since that time, astronomers and cosmologists have sought to resolve theoretical problems arising from this model.

In the 1960s, for example, Dark Matter (originally proposed in 1932 by Jan Oort) was proposed as an explanation for the apparent “missing mass” of the Universe. In addition, papers submitted by Stephen Hawking and other physicists showed that singularities were an inevitable initial condition of general relativity and a Big Bang model of cosmology.

In 1981, physicist Alan Guth theorized a period of rapid cosmic expansion (aka. the “Inflation” Epoch) that resolved other theoretical problems. The 1990s also saw the rise of Dark Energy as an attempt to resolve outstanding issues in cosmology. In addition to providing an explanation as to the Universe’s missing mass (along with Dark Matter) it also provided an explanation as to why the Universe is still accelerating, and offered a resolution to Einstein’s Cosmological Constant.

Significant progress has been made in our study of the Universe thanks to advances in telescopes, satellites, and computer simulations. These have allowed astronomers and cosmologists to see farther into the Universe (and hence, farther back in time). This has in turn helped them to gain a better understanding of its true age, and make more precise calculations of its matter-energy density.

The introduction of space telescopes – such as the Cosmic Background Explorer (COBE), the Hubble Space Telescope, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) and the Planck Observatory – has also been of immeasurable value. These have not only allowed for deeper views of the cosmos, but allowed astronomers to test theoretical models to observations.

For example, in June of 2016, NASA announced findings that indicate that the Universe is expanding even faster than previously thought. Based on new data provided by the Hubble Space Telescope (which was then compared to data from the WMAP and the Planck Observatory) it appeared that the Hubble Constant was 5% to 9% greater than expected.

Next-generation telescopes like the James Webb Space Telescope (JWST) and ground-based telescopes like the Extremely Large Telescope (ELT) are also expected to allow for additional breakthroughs in our understanding of the Universe in the coming years and decades.

Without a doubt, the Universe is beyond the reckoning of our minds. Our best estimates say hat it is unfathomably vast, but for all we know, it could very well extend to infinity. What’s more, its age in almost impossible to contemplate in strictly human terms. In the end, our understanding of it is nothing less than the result of thousands of years of constant and progressive study.

And in spite of that, we’ve only really begun to scratch the surface of the grand enigma that it is the Universe. Perhaps some day we will be able to see to the edge of it (assuming it has one) and be able to resolve the most fundamental questions about how all things in the Universe interact. Until that time, all we can do is measure what we don’t know by what we do, and keep exploring!

To speed you on your way, here is a list of topics we hope you will enjoy and that will answer your questions. Good luck with your exploration!