Dokładnie 100 lat temu nasza koncepcja wszechświata bardzo różniła się od dzisiejszej. Ludzie wiedzieli o gwiazdach w Drodze Mlecznej i znali odległości do nich, ale nikt nie wiedział, co jest za nimi. Wszechświat uznano za statyczny, spirale i elipsy na niebie uznano za obiekty naszej własnej galaktyki. Grawitacja newtonowska nie została jeszcze przekroczona przez nową teorię Einsteina, a idee naukowe, takie jak Wielki Wybuch, ciemna materia i ciemna materia, nie zostały wysłuchane. Ale potem, dosłownie co dekadę, zaczęły następować przełomy po przełomach i tak dalej do dziś. To jest kronika Medium.com Ethana Siegela opisująca, jak nasze rozumienie wszechświata zmieniło się w ciągu ostatnich stu lat.
Wyniki ekspedycji Eddington w 1919 roku wykazały, że ogólna teoria względności opisuje krzywiznę światła gwiazd w pobliżu masywnych obiektów.
1910: Teoria Einsteina zostaje potwierdzona. Ogólna teoria względności zasłynęła z tego, że dawała przepowiednie, których teoria Newtona nie mogła dać: precesja orbity Merkurego wokół Słońca. Jednak teoria naukowa nie wystarczyła, by po prostu wyjaśnić coś, co już zaobserwowaliśmy; musiała przewidywać to, czego jeszcze nie widzieliśmy. Chociaż w ciągu ostatnich stu lat było ich wiele - grawitacyjne dylatacja czasu, silne i słabe soczewkowanie, grawitacyjne przesunięcie ku czerwieni itd. - pierwszą z nich była krzywizna światła gwiazd podczas całkowitego zaćmienia Słońca, którą Eddington i jego współpracownicy zaobserwowali w 1919 roku. Szybkość zakrzywienia światła wokół Słońca była zgodna z przewidywaniami Einsteina i niezgodna z teorią Newtona. Od tego czasu nasze rozumienie wszechświata zmieniło się na zawsze.
Odkrycie przez Hubble'a zmiennej Cefeidy w galaktyce Andromedy, M31, otworzyło nam wszechświat
1920 roku. Nie wiedzieliśmy jeszcze, że poza Drogą Mleczną istnieje wszechświat, ale wszystko zmieniło się w latach dwudziestych XX wieku dzięki pracy Edwina Hubble'a. Obserwując kilka mgławic spiralnych na niebie, był w stanie wskazać pojedyncze gwiazdy zmienne tego samego typu, znane w Drodze Mlecznej. Jedynie ich jasność była tak niska, że bezpośrednio wskazywała na miliony lat świetlnych dzielących nas, umieszczając je daleko poza granicami naszej galaktyki. Hubble nie poprzestał na tym. Zmierzył tempo recesji i odległość dziesiątek galaktyk, znacznie poszerzając granice znanego wszechświata.
Dwie jasne, duże galaktyki w centrum gromady Coma, NGC 4889 (po lewej) i nieco mniejsza NGC 4874 (po prawej), mają wielkość ponad miliona lat świetlnych. Uważa się, że przez całą gromadę przechodzi ogromne halo ciemnej materii.
1930. Od dawna uważano, że gdybyś mógł zmierzyć całą masę zawartą w gwiazdach i być może dodać gaz i pył, to policzyć całą materię we wszechświecie. Jednak obserwując galaktyki w gęstej gromadzie (takiej jak gromada Coma), Fritz Zwicky wykazał, że gwiazdy i tak zwana „zwykła materia” (tj. Atomy) nie wystarczają do wyjaśnienia wewnętrznego ruchu tych gromad. Nazwał nową materię ciemną materią (dunkle materie), a jego obserwacje były w dużej mierze ignorowane aż do lat 70. Następnie lepiej zbadali zwykłą materię i okazało się, że w poszczególnych obracających się galaktykach jest całkiem sporo ciemnej materii. Teraz wiemy, że ciemna materia jest 5 razy masywniejsza niż zwykła materia.
1940. Chociaż większość zasobów eksperymentalnych i obserwacyjnych została przeznaczona na satelity rozpoznawcze, inżynierię rakietową i rozwój technologii jądrowej, fizycy teoretyczni kontynuowali pracę niestrudzenie. W 1945 roku Georgy Gamow dokonał całkowitej ekstrapolacji rozszerzającego się wszechświata: jeśli wszechświat rozszerza się i stygnie dzisiaj, kiedyś powinien być gęstszy i gorętszy. Dlatego kiedyś w przeszłości był czas, kiedy Wszechświat był zbyt gorący i neutralne atomy nie mogły się formować, a wcześniej jądra atomowe nie mogły się formować. Jeśli tak jest, to przed uformowaniem się jakichkolwiek gwiazd materia Wszechświata zaczęła się od najlżejszych pierwiastków i w naszych czasach można obserwować poświatę tej temperatury we wszystkich kierunkach - zaledwie kilka stopni powyżej zera absolutnego. Dziś teoria ta znana jest jako teoria Wielkiego Wybuchu.aw latach czterdziestych nawet nie wiedzieli, jaka jest piękna.
Film promocyjny:
1950. Rywalizującym pomysłem z hipotezą Wielkiego Wybuchu był stacjonarny model wszechświata przedstawiony przez Freda Hoyle'a i innych. Co istotne, obie strony argumentowały, że wszystkie ciężkie pierwiastki obecne obecnie na Ziemi powstały we wczesnym Wszechświecie. Hoyle i jego koledzy argumentowali, że nie powstały one we wczesnym, gorącym i gęstym stanie, ale raczej w poprzednich generacjach gwiazd. Hoyle, wraz z kolegami Willie Fowler i Margaret Burbidge, szczegółowo wyjaśnił, jak pierwiastki układają układ okresowy podczas syntezy jądrowej w gwiazdach. Co ciekawe, przewidzieli syntezę węgla z helu w procesie, którego nigdy wcześniej nie widzieliśmy: potrójnym procesie alfa, który wymaga nowego stanu węgla. Ten stan został odkryty przez Fowlera kilka lat po pierwotnej prognozie Hoyle'a i jest dziś znany jako stan węglowy Hoyle'a. Dowiedzieliśmy się więc, że wszystkie ciężkie pierwiastki istniejące na Ziemi zawdzięczają swoje pochodzenie wszystkim poprzednim generacjom gwiazd.
Gdybyśmy mogli zobaczyć światło mikrofalowe, nocne niebo wyglądałoby jak zielony owal o temperaturze 2,7 kelvina, z „szumem” w środku pochodzącym od gorących elementów z naszej galaktycznej płaszczyzny. To jednorodne promieniowanie z widmem ciała doskonale czarnego wskazuje na poświatę Wielkiego Wybuchu: to jest kosmiczne mikrofalowe tło
Lata 60. Po 20 latach dyskusji dokonano kluczowej obserwacji, która określiłaby historię Wszechświata: odkrycie przewidywanej poświaty z Wielkiego Wybuchu lub kosmicznego mikrofalowego tła. To jednolite promieniowanie o temperaturze 2,725 kelvina zostało odkryte w 1965 roku przez Arno Penziasa i Boba Wilsona, z których żaden nie wiedział od razu, na co się natknął. Dopiero z czasem zmierzono widmo tego promieniowania i jego fluktuacje ciała doskonale czarnego i wykazano, że nasz Wszechświat rozpoczął się od „eksplozji”.
Najwcześniejsze stadium Wszechświata, jeszcze przed Wielkim Wybuchem, ustanowiło wszystkie pierwotne warunki dla wszystkiego, co dziś widzimy. To był wielki pomysł Alana Gutha: kosmiczna inflacja
1970Pod koniec 1979 roku młody naukowiec wykluł swój pomysł. Alan Guth szukał sposobu na rozwiązanie niektórych niewyjaśnionych problemów Wielkiego Wybuchu - dlaczego wszechświat jest tak płaski w przestrzeni, dlaczego we wszystkich kierunkach ma taką samą temperaturę i dlaczego nie ma w nim pozostałości po najwyższych energiach - i wpadł na pomysł kosmicznej inflacji. Zgodnie z tą ideą, zanim wszechświat wszedł w gorący, gęsty stan, nastąpił stan wykładniczej ekspansji, kiedy cała energia była nieodłączna w samej strukturze przestrzeni. Potrzeba było kilku udoskonaleń oryginalnych pomysłów Gutha, aby stworzyć nowoczesną teorię inflacji, ale późniejsze obserwacje - w tym fluktuacje kosmicznego mikrofalowego tła - potwierdziły jej przewidywania. Wszechświat nie tylko zaczął się od eksplozji, ale miał też inny szczególny stan, jeszcze zanim nastąpił Wielki Wybuch.
Pozostałości supernowej 1987a znajdujące się w Wielkim Obłoku Magellana, oddalonym o 165 000 lat świetlnych. Przez ponad trzysta wieków była to najbliższa obserwowana na Ziemi supernowa.
Lata 80. Może się wydawać, że nic poważnego się nie wydarzyło, ale dopiero w 1987 roku zaobserwowano najbliższą supernową z Ziemi. Dzieje się to raz na sto lat. Była to również pierwsza supernowa, która wystąpiła, gdy mieliśmy detektory zdolne do wykrywania neutrin z takich zdarzeń. Chociaż widzieliśmy wiele supernowych w innych galaktykach, nigdy nie obserwowaliśmy ich na tyle blisko, aby zobaczyć z nich neutrina. Te około 20 neutrin zapoczątkowało astronomię neutrin i późniejszy rozwój, który doprowadził do oscylacji neutrin, wykrycia mas neutrin i neutrin neutrin z supernowych, które występują w galaktykach oddalonych o miliony lat świetlnych. Gdyby nasze nowoczesne detektory działały we właściwym czasie, następna eksplozja supernowej umożliwiłaby przechwycenie setek tysięcy neutrin.
Cztery możliwe losy wszechświata, z których ostatni najlepiej pasuje do danych: Wszechświat z ciemną energią. Po raz pierwszy została odkryta dzięki obserwacjom odległych supernowych
Lata 90. Jeśli myślisz, że ciemna materia i odkrycie początku wszechświata to wielkie odkrycia, wyobraź sobie, jaki to był szok w 1998 roku, kiedy odkryli, że wszechświat się kończy. Historycznie wyobrażaliśmy sobie trzy możliwe losy:
- Ekspansja Wszechświata nie wystarczy, aby przezwyciężyć grawitacyjne przyciąganie wszystkiego i wszystkich, a Wszechświat ponownie skurczy się w Wielkiej Kompresji
- Ekspansja Wszechświata będzie zbyt duża, a wszystko zjednoczone grawitacją się rozproszy, a Wszechświat zamarznie
- Albo znajdziemy się na granicy tych dwóch wyników i tempo ekspansji będzie asymptotycznie dążyć do zera, ale nigdy go nie osiągnie: Critical Universe
Jednak odległe supernowe pokazały, że rozszerzanie się Wszechświata przyspiesza i że w miarę upływu czasu odległe galaktyki oddalają się od siebie coraz szybciej. Wszechświat nie tylko zamarznie, ale wszystkie galaktyki, które nie są ze sobą powiązane, ostatecznie znikną poza naszym kosmicznym horyzontem. Poza galaktykami w naszej lokalnej grupie żadne galaktyki nie spotkają Drogi Mlecznej, a nasz los będzie zimny i samotny. Za 100 miliardów lat nie zobaczymy innych galaktyk niż nasza.
2000s. Nasze pomiary fluktuacji (lub niedoskonałości) poświaty Wielkiego Wybuchu nauczyły nas niesamowitych rzeczy: dowiedzieliśmy się dokładnie, z czego zbudowany jest wszechświat. Dane COBE zastąpiły dane WMAP, które z kolei zostały ulepszone przez Planck. Podsumowując, dane z wielkoskalowych struktur z przeglądów dużych galaktyk (takich jak 2dF i SDSS) oraz dane z odległych supernowych dostarczyły nam współczesnego obrazu Wszechświata:
- 0,01% promieniowania w postaci fotonów, - 0,1% neutrin, które w niewielkim stopniu przyczyniają się do powstawania halo grawitacyjnych otaczających galaktyki i gromady, - 4,9% zwykłej materii, w tym wszystko, co składa się z cząstek atomowych, - 27% ciemnej materii, czyli tajemniczych, nieoddziałujących (innych niż grawitacyjnie) cząstek, które zapewniają wszechświatowi obserwowaną przez nas strukturę, - 68% ciemnej energii, która jest nieodłącznie związana z samą przestrzenią.
2010-ty. Ta dekada jeszcze się nie skończyła, ale już znaleźliśmy nasze pierwsze potencjalnie nadające się do zamieszkania planety podobne do Ziemi (choć bardzo odległe), pośród tysięcy nowych egzoplanet odkrytych podczas misji NASA Kepler. To może nie być największe odkrycie dekady, ponieważ bezpośrednie wykrycie fal grawitacyjnych przez LIGO potwierdziło obraz, który Einstein cofnął w 1915 roku. Ponad sto lat po tym, jak teoria Einsteina po raz pierwszy rzuciła wyzwanie Newtonowi, ogólna teoria względności przeszła przez wszystkie oferowane jej próby i testy.
Historia nauki wciąż jest pisana, a we wszechświecie wciąż jest wiele do odkrycia. Ale te 11 kroków wyprowadziło nas z wszechświata o nieznanym wieku, nie większego niż nasza galaktyka, składającego się głównie z gwiazd, do rozszerzającego się, stygnącego wszechświata rządzonego przez ciemną materię, ciemną energię i naszą zwykłą materię. Ma wiele potencjalnie nadających się do zamieszkania planet, ma 13,8 miliarda lat i zaczął się od Wielkiego Wybuchu, który sam wypłynął z kosmicznej inflacji. Dowiedzieliśmy się o pochodzeniu Wszechświata, o jego losach, wyglądzie, budowie i rozmiarze - i to przez całe 100 lat. Być może następne 100 lat będzie pełne niespodzianek, których nawet sobie nie wyobrażamy.
Ilya Khel