เป็นเวลาหลายพันปีที่มนุษย์ได้ดูดวงดาวและสงสัยว่าจักรวาลมาเป็นอย่างไร แต่มันไม่ได้จนกว่าปีของสงครามโลกครั้งที่หนึ่งที่นักวิจัยพัฒนาเครื่องมือสังเกตการณ์และเครื่องมือทางทฤษฎีเพื่อเปลี่ยนคำถามที่สำคัญเหล่านั้นให้กลายเป็นสาขาการศึกษาที่แม่นยำ: จักรวาลวิทยา
“ ฉันคิดว่าจักรวาลวิทยาเป็นหนึ่งในวิชาที่เก่าแก่ที่สุดที่มนุษย์สนใจ แต่เป็นหนึ่งในวิทยาศาสตร์ใหม่ล่าสุด” พอลสไตน์ฮาร์ตนักดาราศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยปรินซ์ตันกล่าวซึ่งศึกษาว่าเวลามีจุดเริ่มต้นหรือไม่
สั้นจักรวาลศึกษาจักรวาลเป็นหนึ่งในเอนทิตี้ของแทนที่จะแยกวิเคราะห์ดาวหลุมดำและกาแล็กซี่แยกต่างหาก สาขานี้ถามคำถามใหญ่: จักรวาลมาจากไหน ทำไมมันจึงมีดาวกาแลคซีและกระจุกกาแลคซี? จะเกิดอะไรขึ้นต่อไป "จักรวาลกำลังพยายามสร้างภาพขนาดใหญ่ของธรรมชาติของจักรวาล" Glennys Farrar นักฟิสิกส์อนุภาคที่มหาวิทยาลัยนิวยอร์กกล่าว
เนื่องจากระเบียบวินัยนี้มีปรากฏการณ์มากมายตั้งแต่อนุภาคในสูญญากาศจนถึงโครงสร้างของอวกาศและเวลาจักรวาลวิทยาจึงถูกดึงดูดอย่างหนักในหลายสาขารวมถึงดาราศาสตร์ดาราศาสตร์ฟิสิกส์ดาราศาสตร์และฟิสิกส์อนุภาคมากขึ้นเรื่อย ๆ
“ จักรวาลวิทยามีบางส่วนของมันที่อยู่ในฟิสิกส์อย่างเต็มที่ชิ้นส่วนที่อยู่ในฟิสิกส์ดาราศาสตร์อย่างสมบูรณ์และชิ้นส่วนที่เคลื่อนที่ไปมา” Steinhardt กล่าว "นั่นเป็นส่วนหนึ่งของความตื่นเต้น"
ประวัติความเป็นมาของประวัติศาสตร์ของจักรวาล
ลักษณะสหวิทยาการของสนามช่วยอธิบายการเริ่มต้นปลายค่อนข้าง ภาพที่ทันสมัยของจักรวาลของเราเริ่มมารวมกันในปี 1920 หลังจาก Albert Einstein พัฒนาทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปกรอบทางคณิตศาสตร์ที่อธิบายถึงแรงโน้มถ่วงเป็นผลมาจากการดัดงอของพื้นที่และเวลา
“ ก่อนที่คุณจะเข้าใจธรรมชาติของแรงโน้มถ่วงคุณไม่สามารถสร้างทฤษฏีว่าทำไมสิ่งต่าง ๆ ถึงเป็นอย่างที่มันเป็น” Steinhardt กล่าว กองกำลังอื่นมีผลต่ออนุภาคมากกว่า แต่แรงโน้มถ่วงเป็นผู้เล่นหลักในเวทีของดาวเคราะห์ดาวและกาแลกซี่ คำอธิบายแรงโน้มถ่วงของไอแซกนิวตันมักใช้งานในขอบเขตนั้นเช่นกัน แต่มันใช้พื้นที่ (และเวลา) เป็นฉากหลังที่แข็งและไม่เปลี่ยนแปลงซึ่งใช้วัดเหตุการณ์ งานของไอน์สไตน์แสดงให้เห็นว่าอวกาศสามารถขยายและหดตัวเปลี่ยนจักรวาลจากเวทีหนึ่งไปอีกดาราและนำมันเข้าสู่การต่อสู้เพื่อเป็นวัตถุที่มีชีวิตชีวาเพื่อศึกษา
ในช่วงกลางทศวรรษ 1920 นักดาราศาสตร์ Edwin Hubble ได้ทำการสำรวจจากกล้องโทรทรรศน์ Hooker ขนาด 100 นิ้ว (254 เซนติเมตร) ที่เพิ่งสร้างขึ้นที่หอดูดาว Mount Wilson ในแคลิฟอร์เนีย เขาพยายามที่จะยุติการถกเถียงเกี่ยวกับตำแหน่งของเมฆในอวกาศที่นักดาราศาสตร์มองเห็น ฮับเบิลพิสูจน์ว่า "เนบิวลา" เหล่านี้ไม่ได้เป็นเมฆในท้องถิ่น แต่กลับมีกลุ่มดาวฤกษ์ไกลโพ้นซึ่งคล้ายกับทางช้างเผือกของเรา - "จักรวาลเกาะ" ในการพูดจาของเวลา วันนี้เราเรียกพวกเขาว่ากาแลคซีและรู้ว่าพวกมันอยู่ในล้านล้าน
ความวุ่นวายที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในมุมมองของจักรวาลยังมาไม่ถึง งานของฮับเบิลในช่วงปลายทศวรรษ 1920 แนะนำว่ากาแลคซีในทุกทิศทางกำลังเร่งความเร็วให้ห่างจากเรา การตรวจวัดพื้นหลังของไมโครเวฟในจักรวาล (CMB) ในที่สุด - แสงที่เหลือจากช่วงต้นของจักรวาลและนับตั้งแต่เข้าสู่ไมโครเวฟในปี 1960 พิสูจน์ว่าความจริงตรงกับหนึ่งในความเป็นไปได้ที่แนะนำโดยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป นับวันยิ่งใหญ่ขึ้นเรื่อย ๆ แนวคิดนี้กลายเป็นที่รู้จักในฐานะทฤษฎีบิกแบงและมันก็ส่งผลให้นักดาราศาสตร์เอกภพเพราะมันส่อให้เห็นว่าแม้แต่เอกภพก็สามารถเริ่มต้นและสิ้นสุด
แต่อย่างน้อยนักดาราศาสตร์ก็สามารถเห็นการเคลื่อนที่ของกาแลคซีในกล้องโทรทรรศน์ หนึ่งในการเปลี่ยนแปลงของแผ่นดินไหวที่เกิดขึ้นมากที่สุดในเอกภพวิทยาฟาร์รากล่าวว่าเป็นความคิดที่ว่าสิ่งของส่วนใหญ่ที่ทำจากสิ่งอื่นนั้นเป็นสิ่งที่มองไม่เห็นอย่างสมบูรณ์ วัสดุที่เราสามารถเห็นจำนวนมากกว่าข้อผิดพลาดในการปัดเศษจักรวาล - เพียงประมาณ 5% ของทุกสิ่งในจักรวาล
คนแรกของอีก 95% ของจักรวาลสิ่งที่เรียกว่า "เซกเตอร์มืด" เลี้ยงดูหัวของมันในปี 1970 ย้อนกลับไปตอนนั้นนักเวรารูบินรู้ว่ากาแลคซีนั้นกำลังหมุนตัวไปรอบ ๆ อย่างรวดเร็วพวกเขาควรจะแยกตัวออกจากกัน Farrar กล่าวว่าสิ่งที่เกินกว่าจะมองเห็นได้ยากสิ่งที่เก็บกาแลคซีไว้ด้วยกันจะต้องเป็นสิ่งที่นักฟิสิกส์ไม่รู้จักโดยสิ้นเชิงสิ่งที่ยกเว้นการดึงโน้มถ่วงของมันนั้นไม่สนใจเรื่องธรรมดาและแสง การทำแผนที่ในภายหลังเปิดเผยว่ากาแลคซีที่เราเห็นนั้นเป็นนิวเคลียสที่อยู่ในใจกลางของทรงกลม "สสารมืด" เส้นใยของสสารที่มองเห็นซึ่งทอดยาวไปทั่วจักรวาลแขวนอยู่บนกรอบมืดที่มีค่ามากกว่าอนุภาคที่มองเห็นห้าต่อหนึ่ง
กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลค้นพบสัญญาณของความหลากหลายของพลังงานที่ไม่คาดคิดซึ่งนักดาราศาสตร์ในปัจจุบันบอกว่ามีส่วนที่เหลืออีก 70% ของเอกภพหลังจากการบัญชีสสารมืด (25%) และสสารที่มองเห็นได้ (5%) - ในปี 1990 โอเวอร์คล็อกการขยายตัวของเอกภพในขณะที่เร่งเหมือนรถไฟที่วิ่งหนี "พลังงานมืด" อาจเป็นพลังงานประเภทหนึ่งที่มีอยู่ในอวกาศกำลังผลักจักรวาลออกจากกันเร็วกว่าแรงโน้มถ่วงที่สามารถดึงจักรวาลเข้าด้วยกัน ในช่วงล้านล้านปีที่ผ่านมานักดาราศาสตร์ทุกคนที่เหลืออยู่ในทางช้างเผือกจะพบว่าตัวเองอยู่ในเอกภพของเกาะที่แท้จริงปกคลุมไปด้วยความมืดมิด
“ เราอยู่ที่จุดเปลี่ยนในประวัติศาสตร์ของจักรวาลจากที่ซึ่งมันถูกครอบงำโดยสสารไปยังที่ซึ่งมันถูกครอบงำด้วยพลังงานรูปแบบใหม่” Steinhardt กล่าว "สสารมืดเป็นตัวกำหนดอดีตของเราพลังงานมืดจะกำหนดอนาคตของเรา"
จักรวาลวิทยาสมัยใหม่และอนาคต
จักรวาลวิทยาในปัจจุบันบรรจุภัณฑ์สถานที่สำคัญเหล่านี้ในการค้นพบความสำเร็จอันยอดเยี่ยมของรุ่น Lambda-CDM บางครั้งเรียกว่าแบบจำลองมาตรฐานของจักรวาลวิทยาชุดสมการนี้อธิบายจักรวาลตั้งแต่ประมาณวินาทีแรกเป็นต้นไป แบบจำลองนี้ใช้พลังงานมืดจำนวนหนึ่ง (แลมบ์ดาเพื่อเป็นตัวแทนในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป) และสสารมืดเย็น (CDM) และทำการคาดเดาคล้าย ๆ กันเกี่ยวกับปริมาณของสสารที่มองเห็นรูปร่างของจักรวาลและลักษณะอื่น ๆ ทั้งหมดกำหนดโดยการทดลอง และการสังเกต
เล่นภาพยนตร์เด็กจักรวาลไปข้างหน้า 13.8 พันล้านปีและจักรวาลวิทยาได้ภาพรวมว่า "สถิติมีทุกสิ่งที่เราสามารถวัดได้จนถึงจุดหนึ่ง" Steinhardt กล่าว แบบจำลองนี้แสดงถึงเป้าหมายที่จะต้องเอาชนะเมื่อนักจักรวาลวิทยาผลักดันการอธิบายจักรวาลให้ลึกลงไปในอดีตและในอนาคต
ประสบความสำเร็จเท่าที่แลมบ์ดา - CDM ได้รับมันก็ยังคงมีข้อบกพร่องมากมายที่ต้องออกกำลังกาย นักดาราศาสตร์ได้รับผลที่ขัดแย้งกันเมื่อพวกเขาพยายามศึกษาการขยายตัวของเอกภพในปัจจุบันขึ้นอยู่กับว่าพวกมันทำการวัดโดยตรงในกาแลคซีใกล้เคียงหรืออนุมานจาก CMB รุ่นนี้ไม่ได้พูดอะไรเกี่ยวกับการแต่งหน้าของสสารมืดหรือพลังงานเช่นกัน
จากนั้นก็มีปัญหาที่สองของการดำรงอยู่ครั้งแรกเมื่อเอกภพสันนิษฐานว่าเปลี่ยนจากจุดเล็ก ๆ ไปเป็นฟองที่มีพฤติกรรมดี "เงินเฟ้อ" เป็นทฤษฎีที่ได้รับความนิยมที่พยายามจัดการช่วงเวลานี้อธิบายว่าช่วงเวลาสั้น ๆ ของการขยายตัวที่เร็วขึ้นทำให้เกิดความแปรปรวนในยุคแรกของความแปรปรวนในกาแลคซีขนาดใหญ่ในปัจจุบันรวมถึงวิธีป้อนข้อมูล Lambda-CDM .
ไม่มีใครรู้ว่าเงินเฟ้อมีรายละเอียดอย่างไรหรือทำไมมันหยุดในที่ที่มันน่าจะเป็น Steinhardt กล่าวว่าอัตราเงินเฟ้อควรจะดำเนินต่อไปในหลายพื้นที่ของอวกาศซึ่งหมายความว่าจักรวาลของเราเป็นเพียงชิ้นส่วนหนึ่งของ "ลิขสิทธิ์" ที่มีความเป็นจริงทางกายภาพที่เป็นไปได้ - ความคิดที่ไม่สามารถทดสอบได้
เพื่อให้เกิดความก้าวหน้าในคำถามเช่นนี้นักดาราศาสตร์จะทำการตรวจสอบความแม่นยำจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลและกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ที่กำลังจะมาถึงรวมถึงการทดลองในสาขาดาราศาสตร์ดาราศาสตร์คลื่นความโน้มถ่วงเช่นมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ เครื่องวัดระยะเลเซอร์ (Laser Interferometer Gravityational-Observatory) นักดาราศาสตร์ยังเข้าร่วมกับนักฟิสิกส์อนุภาคและนักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ในการแข่งขันแบบสหวิทยาการเพื่อตรวจจับอนุภาคของสสารมืด
เช่นเดียวกับจักรวาลไม่สามารถเริ่มได้จนกว่าสาขาฟิสิกส์อื่น ๆ จะครบกำหนดมันจะไม่สามารถเปิดเผยประวัติของจักรวาลได้จนกว่าพื้นที่อื่นจะเสร็จสมบูรณ์มากขึ้น "เพื่อให้เรื่องตรงคุณต้องทำงานให้สำเร็จทั้งหมด กฎของฟิสิกส์ในทุก ๆ ระดับพลังงานและในทุกสภาวะ "Steinhardt กล่าว และการเปลี่ยนแปลงในเรื่องใดเรื่องหนึ่งอาจเปลี่ยนแปลงเรื่องราวของจักรวาลได้อย่างสิ้นเชิง
ฟาร์รากล่าวว่าเธอไม่รู้ว่าจะเกิดอะไรขึ้น แต่ก็ประหลาดใจที่ผู้คนได้เข้าใจความซับซ้อนของจักรวาลมากที่สุดเท่าที่พวกเขามี “ เป็นเรื่องที่น่าอัศจรรย์ที่สมองของมนุษย์พัฒนาจนถึงจุดที่คำถามเหล่านี้สามารถตอบได้อย่างชัดเจน” เธอกล่าว "อย่างน้อยก็บางคน"
เพิ่มเติม ทรัพยากร:
