Cosmologie (astronomie)
Cosmologia este știința care are ca obiect de studiu universul în ansamblu, despre care încearcă să explice în special originea și evoluția sa. În acest sens, este strâns legată de cosmologie ca ramură a filozofiei . Într-un sens ontologic , aceasta are sarcina de a corecta sau a elimina nenumăratele teorii metafizice sau religioase despre originile lumii . Are rădăcinile sale istorice în narațiunile religioase despre originea tuturor lucrurilor ( cosmogonii ) și în marile sisteme filozofico- științifice premoderne (cum ar fi sistemul ptolemeic ). În prezent este o știință fizică în care converg diverse discipline, precum astronomia , astrofizica , fizica particulelor , relativitatea generală .
Istoria cosmologiei
Sistemul geocentric
În lumea occidentală, primele teorii cosmologice cu unele fundații științifice (și nu pur religioase) au fost elaborate de astronomii și filosofii Greciei antice . Deși au existat zvonuri discordante (de exemplu, Aristarh din Samo a susținut un model în care Pământul se rotește în jurul Soarelui ), opinia cea mai răspândită a fost că Pământul era imobil în centrul universului, în timp ce Soarele, Luna , planetele iar stelele se învârteau în jurul ei așezate în sfere concentrice. Principala expunere a acestui sistem a fost dată de Ptolemeu în secolul al II-lea , motiv pentru care este cunoscut și sub denumirea de Sistemul Ptolemeic .
În lumea greacă opinia a fost larg răspândită că Universul este imuabil, adică necreat și etern. Această poziție a fost susținută în principal pentru a evita problemele filosofice grave pe care le-ar fi adus ideea creației Universului: ar fi necesar să se explice ce a fost acolo înainte de creație și ce a cauzat-o. Aceste idei s-au opus filosofiei stoicilor , care susținea că lumea trecuse printr-un număr infinit de creații și distrugeri și că în fiecare fază a acestui ciclu fiecare eveniment pământesc și celest se repetase exact în același mod .
Ideea creației conform revelației evreiască-creștine
Apariția Revelației evreiești a dus la contribuții originale în dezbaterea cosmologică. Aceste contribuții se concentrează în principal pe problema timpului, poate înțeleasă ca o necunoscută constantă (din punctul de vedere al structurii spațiului, creștinismul a preluat în esență modelul ptolemeic). Derivând de la iudaism , ea preia ideea unui Univers creat de Dumnezeu , care a avut deci un început. Prin urmare, primii filozofi creștini s-au concentrat asupra criticilor filozofilor care au susținut eternitatea Universului, în primul rând asupra problemei a ceea ce a făcut Dumnezeu înainte de a crea Universul și de ce a ales să înceapă creația într-un moment mai degrabă decât în altul., întrucât înainte de creație cosmosul era un nimic nediferențiat. Au fost propuse diverse soluții pentru aceste probleme. Origen Adamantius a preluat ideea stoicilor despre ciclul etern de creație și distrugere, negând totuși determinismul care forțează fiecare ciclu să repete exact aceleași evenimente ca și precedentul. O soluție mai originală a venit de la Augustin , care înmărturisirile sale aipotezat mai întâi că timpul nu era o entitate eternă, ci începuse împreună cu spațiul. În acest fel, problema a ceea ce a existat înainte de creație nu mai are sens. Această idee extrem de modernă a câștigat o acceptare generală.
Revoluția copernicană și gravitația universală
Abia în secolul al XVI-lea Copernic a repropus sistemul heliocentric (sau, exact, copernicanul ), care a preluat în sfârșit în secolul al XVII-lea , datorită și lucrării lui Galileo : conform acestei teorii, Soarele este imobil la centrul Universului, în timp ce Pământul și alte planete orbitează în jurul său. Din punct de vedere filosofic, acest pasaj a marcat sfârșitul concepției despre univers centrat pe Om, ceea ce a provocat multă rezistență, de exemplu din partea Bisericii Catolice . Având în vedere importanța enormă pe care a avut-o și în afara domeniului științific, această schimbare de perspectivă este cunoscută în mod obișnuit sub numele de Revoluția Copernicană .
Copernic și Galileo, încă influențați de gândirea greacă, credeau că orbitele planetare sunt cercuri perfecte. Un pas semnificativ înainte a fost făcut de Kepler, care a descoperit că astfel de orbite sunt de fapt eliptice. În 1687 Newton a furnizat una dintre primele chei interpretative ale structurii Sistemului Solar și a Universului în general: legea gravitației universale , care unifica o serie de fenomene (căderea corpurilor, mareele , mișcarea planete); cosmologia din următoarele două secole a fost în mare măsură o încercare de a aplica legile mecanicii newtoniene mai întâi sistemului solar și apoi la o scară mai mare.
Cu toate acestea, natura reală a stelelor (și odată cu aceasta posibilitatea estimării distanțelor cosmologice) a rămas incertă până la aproape două secole după publicarea teoriei lui Newton. Datorită eșecului de a observa mișcarea de paralaxă , mulți susținători ai sistemului copernican au emis ipoteza că ar fi stele asemănătoare Soarelui, dar mult mai departe, și că, prin urmare, Universul consta dintr-o mare infinită de stele (prima care susține această teză a fost posibil Giordano Bruno ). Aceste ipoteze au fost confirmate în 1838 , când Bessel a reușit să măsoare paralaxa (și deci distanța, de aproximativ 8 ani lumină ) a stelei 61 Cygni.
Descoperirea Căii Lactee și a altor galaxii
Între timp, în 1785 Herschel descoperise că distribuția stelelor pe bolta cerească nu este uniformă, ci că în centura circulară cunoscută din cele mai vechi timpuri sub numele de Calea Lactee numărul lor este mult mai mare decât în alte părți. Acest fapt a sugerat că Soarele se afla într-un sistem de stele în formă de disc, numit Galaxy . Poziția Soarelui în interiorul galaxiei a fost mult timp subiectul controverselor, până când în 1922 astronomul olandez Kapteyn a demonstrat că nu este deloc aproape de centrul galactic, ci mai degrabă într-o poziție destul de periferică: componenta stelară a galaxia noastră formează un disc turtit cu aproximativ 85.000 de ani lumină (26 kiloparseci ) în diametru, iar distanța Soarelui de centru este de aproximativ trei cincimi din lungimea razei (grosimea benzii stelare este de aproximativ o mie de lumină) ani).
Cu toate acestea, deja în ultimii ani ai secolului al XIX-lea , interesul cosmologiei sa mutat la o altă controversă, care s-a opus celor care susțineau că Galaxia constituia practic întregul Univers și cei care, în schimb, susțineau că așa-numitele nebuloase spirale nu erau alte decât galaxiile similare cu ale noastre, pe care le observăm din exterior. Această a doua ipoteză s-a dovedit a fi corectă atunci când în 1924 Edwin Hubble a reușit să măsoare distanța dintre galaxia Andromeda , descoperind că se află la aproximativ două milioane de ani lumină de noi: este, așadar, în afara galaxiei noastre și are dimensiuni similare. .
Nașterea cosmologiei contemporane
Se poate spune că cosmologia contemporană s-a născut între 1915 și 1929 : în 1915, de fapt, Einstein a publicat primul articol referitor la teoria relativității generale , în timp ce în 1929 Hubble a descoperit faimoasa sa lege , care implică faptul că Universul este în expansiune.
La scurt timp după publicarea teoriei sale (care „a înlocuit” gravitația universală newtoniană), Einstein a aplicat-o mai întâi la calculul evoluției dinamice a universului. Imediat i-a fost evident că, presupunând că materia este distribuită în univers într-un mod omogen, chiar și un univers infinit ar tinde să se prăbușească asupra sa. Cu toate acestea, fiind opinia comună că universul era static (și etern), Einstein a recurs la trucul adăugării unei constante în ecuațiile câmpului gravitațional, numită constantă cosmologică (de obicei indicată cu Λ), pentru a contrabalansa această contracție. Această constantă nu a modificat cel puțin previziunile teoriei în toate celelalte domenii, dar introducerea ei s-a împrumutat unui alt tip de critică. De fapt, există o singură valoare a constantei cosmologice care permite să avem un univers în echilibru static și, de asemenea, în acest caz, echilibrul este instabil; aceasta înseamnă că pentru a avea un univers etern etern, valoarea „fizică” a constantei cosmologice ar trebui să fie exact cea cerută de condiția statică. Orice altă valoare, chiar extrem de apropiată de cea indicată de Einstein, duce la un univers care se prăbușește sau se extinde.
În 1922, Fridman a abandonat apoi ipoteza că universul este static (și etern), a descoperit că soluțiile ecuațiilor relativității generale indicau că universul ar avea un început în care ar fi fost infinit de dens și că ar avea de când s-a extins; cinci ani mai târziu, Lemaître a obținut același rezultat independent. Atât Fridman, cât și Lemaître au constatat, de asemenea, că în cazul examinat de aceștia (și acceptat în mod obișnuit chiar și astăzi) al unui univers omogen și izotrop (acceptând principiul cosmologic ), metrica care rezolvă ecuațiile câmpului gravitațional este așa-numitul Friedman- Lemaître metric.Robertson-Walker . Setul acestei metrici și soluțiile găsite de Friedmann și Lemaître constituie așa-numitul model cosmologic Friedmann-Lemaître .
Câțiva ani mai târziu, aceste idei teoretice au găsit o confirmare experimentală dramatică în descoperirea lui Hubble că galaxiile se îndepărtează de noi cu o rată proporțională cu distanța lor, ceea ce poate fi ușor explicat presupunând că universul se extinde.
Teoria Big Bang-ului și a Statului Stabil
Ideea că universul are un început a condus la formularea teoriei Big Bang , adică că universul s-a născut dintr-o singularitate gravitațională în care s-au concentrat tot spațiul-timp și materia universului; în special în 1948 , Alpher , Bethe și Gamow au introdus așa-numitul model αβγ, care a explicat modul în care sinteza elementelor chimice ar putea avea loc în cadrul teoriei Big Bang, adică într-un univers care se extinde și se răcește rapid.
Cu toate acestea, unii oameni de știință nu au acceptat ideea unui univers care nu era etern și au propus modele alternative; printre acestea, cea mai faimoasă și mai norocoasă a fost teoria stării staționare a lui Fred Hoyle , în care universul ar fi etern și diluarea materiei datorată expansiunii ar fi echilibrată printr-o creație spontană continuă de particule ( 1948 ).
Timp de aproximativ 20 de ani, controversa dintre cele două modele cosmologice a fost destul de aprinsă; cu toate acestea, a ajuns la o concluzie destul de rapidă după observarea radiației cosmice de fond cu microunde (în 1964 de Arno Penzias și Robert Woodrow Wilson ) și diferite măsurători ale densității quasarului nu au condus la abandonarea aproape totală a teoriilor alternative și aproape unanimă adoptarea celor bazate pe Big Bang.
Inflația și materia întunecată
Deși după 1970 modelul Big Bang a rămas practic fără serii alternative, a prezentat și prezintă unele lacune relevante. Două dintre cele mai importante, care au condus la introducerea a două schimbări semnificative în teorie, au apărut la scurt timp după descoperirea radiației de fond și au vizat uniformitatea extremă pe întregul cer al radiației în sine:
- prima problemă (problema orizontului ) este că în modelele standard ale big bang-ului două regiuni ale cerului suficient de îndepărtate una de alta (la o distanță unghiulară mai mare de aproximativ un grad) nu au putut intra în contact între ele înainte de ora la care a fost emisă de radiația de fundal, deci nu pot fi atins un echilibru termic la aceeași temperatură; ar fi, așadar, logic să ne așteptăm la neomogenități mult mai accentuate în radiațiile pe care le observăm;
- a doua problemă este că, în teoria originală a big bang-ului, fluctuațiile fundalului cosmic cu microunde sunt mult mai mici decât ar fi necesar pentru a explica formarea galaxiilor într-un timp mai scurt decât vârsta Universului.
Pentru a rezolva problema orizontului, a fost introdusă o idee teoretică cunoscută sub numele de inflație , potrivit căreia imediat după Big Bang universul a trecut printr-o fază de expansiune extrem de accelerată (inflația, de fapt); două regiuni ale cerului extrem de îndepărtate unele de altele ar fi putut fi, prin urmare, în contact (și ar fi avut timp să intre în echilibru termic) înainte de inflație. Inflația ar explica, de asemenea, numeroase observații (de exemplu, planeitatea universului) altfel dificil de explicat.
În ceea ce privește creșterea fluctuațiilor pentru a forma galaxii, soluția comun acceptată este aceea că există așa-numita materie întunecată , adică o formă de materie pe care nu am observat-o încă, deoarece ar fi neutră electric (și, prin urmare, nu ar fi capabilă să emite sau absorb lumină ); fizica particulelor oferă diferite tipuri de particule din care ar putea fi alcătuită materia întunecată, de ex. neutroni , neutrini sau mai probabil așa-numitele WIMP ( particule masive care interacționează slab ). Deoarece materia întunecată nu ar fi afectată de radiațiile de fond, ar fi putut începe colapsul gravitațional (din care s-ar fi născut galaxiile) cu mult înainte de materia normală ( barion ), eliminând astfel problema timpului de formare a galaxiei. Materia întunecată ar explica, de asemenea, alte câteva observații, inclusiv măsurători ale curbelor de rotație ale galaxiilor, care au fost motivul pentru care a fost introdusă inițial.
Inflația și materia întunecată au devenit acum parte a așa-numitului model standard al cosmologiei , care este modelul acceptat de majoritatea comunității științifice. Cu toate acestea, ambele nu sunt încă considerate dovedite, chiar dacă există speranțe concrete de a putea ajunge la o descoperire decisivă (de exemplu identificarea particulei elementare care ar constitui materia întunecată) într-un timp nu prea lung. Pe de altă parte, există, de asemenea, unii susținători ai teoriilor alternative, de exemplu a așa-numitelor teorii MOND (din MOdified Newton Dynamics ), care ar elimina aceste probleme (în special a doua), introducând modificări în teoria gravitației: aceste teorii se bucură de puține urmări, dar nu pot fi complet excluse.
Energie întunecată
Poate că cea mai importantă problemă cu care se confruntă în prezent modelul Big Bang este aceea a așa-numitei energii întunecate . De fapt, la sfârșitul anilor nouăzeci unele observații făcute asupra supernovei ( deplasarea lor spre roșu ) au arătat că, contrar a ceea ce era de așteptat, expansiunea universului nu încetinește, ci accelerează [1] . Deși relativitatea generală oferă un mecanism (același care a fost folosit de câteva decenii pentru a explica inflația) prin care se pot explica formele de energie care produc un fel de gravitație respingătoare, această descoperire a luat prin surprindere majoritatea oamenilor.
În prezent nu există nicio teorie acceptată care să poată explica din ceea ce derivă energia (botezată imediat cu energia întunecată ) care ar fi responsabilă pentru această accelerare și care ar fi forma dominantă de energie în universul nostru: de fapt, energia întunecată ar fi constituie 73% din univers, materia întunecată 23% și materia barionică (electroni, protoni, neutroni etc.) 4%.
Se speră să se poată distinge între numeroasele modele teoretice care au ca scop explicarea proprietăților energiei întunecate (inclusiv așa-numita chintesență , gazul Chaplygin , modelele DGP și KKLT și multe altele) prin măsurarea parametrului w (care caracterizează relația dintre presiunea și densitatea energiei energiei întunecate, P = wρ). Modelele cu w≥-1 diferă calitativ de cele cu . În primul, Universul s-ar extinde mai rapid decât în cazul fără energie întunecată, dar expansiunea ar avea loc întotdeauna la viteze finite. În al doilea rând, pe de altă parte, accelerația datorată energiei fantomă (o expresie care indică forme de energie întunecată cu ) Ar fi atât de puternic încât universul ar ajunge să „moară” în așa-numitul Big Rip , (Lacrima Mare), deoarece expansiunea ar atinge o viteză infinită. Măsurătorile lui w sunt chiar mai incerte decât cele ale energiei întunecate și în acest moment ambele posibilități sunt compatibile cu datele experimentale rare disponibile.
Probleme deschise
Pe lângă problemele inerente materiei întunecate (dovada sau negarea existenței sale și studiul eventualei sale compoziții) și a energiei întunecate (existența unui termen cosmologic în ecuațiile lui Einstein ), multe întrebări rămân deschise în cosmologia actuală. momentele inițiale ale universului, când densitatea este comparabilă cu densitatea Planck și efectele cuantice devin importante.
Pentru a furniza date utile pentru a restrânge câmpul de acceptabilitate a teoriilor cu privire la fazele inițiale ale evoluției universului, noile ferestre de observație bazate pe mesageri care pot trece prin materie chiar și atunci când sunt opace la radiații, cum ar fi neutrinii, vor fi utile și unde gravitaționale . O altă problemă încă deschisă, de interes extrem pentru cosmologie, este formarea de structuri, la toate scările, de la cea a supergrupurilor de galaxii , la cea galactică, la cea planetară.
Cosmologia în antropologie
În științele etno-antropologice termenul „cosmologie” definește sistemele de gândire, viziunile lumii referitoare la o anumită cultură. Pentru a evita confuzia, sinonimul cosmogonie este folosit mai des.
Cosmologia în filozofie
Cosmologia, în sens filozofic, este o ramură a filozofiei care se ocupă de lume (adică de cosmos) înțeleasă ca totalitatea tuturor fenomenelor din spațiu și timp, investigând cauzele lor finale, semnificația lor, structurile ontologice și altele.
Notă
- ^ Goldhaber, Gerson, „Accelerarea extinderii universului: o scurtă istorie timpurie a proiectului de cosmologie supernova (SCP)” , arxiv.org , 2009.
Bibliografie
- ( RO ) P. Coles și F. Lucchin, Cosmologie: originea și evoluția structurii cosmice, John Wiley & Sons
- ( EN ) EW Kolb & MS Turner, The Early Universe, Addison-Wesley Publishing Company
- ( EN ) F. Lucchin, Introducere în cosmologie, Zanichelli
- ( EN ) JAPeacock, Fizică cosmologică, Cambridge University Press
- ( EN ) S. Weinberg, Gravitația și cosmologia: principii și aplicații ale teoriei generale a relativității, John Wiley & Sons
- ( EN ) S. Dodelson, 2003. Modern Cosmology, Academic Press.
- ( EN ) AR Liddle & DH Lyth, 2000. Inflația cosmologică și structura la scară largă, Cambridge University Press.
- ( EN ) PJE Peebles, 1993. Principii de cosmologie fizică, Princeton University Press.
- ( EN ) GW Gibbons și colab. Viitorul fizicii teoretice și al cosmologiei: o sărbătoare a 60 de ani de naștere a lui Stephen Hawking . Londra, Cambridge University Press, 2003. ISBN 0-521-82081-2
Elemente conexe
- Istoria universului
- Energia fantomă
- Programul universului
- Cosmologie biblică
- Cosmologie non-standard
- Soarta finală a universului
- Multivers
- Accelerarea universului
- Stephen Hawking
Alte proiecte
-
Wikicitată conține citate despre cosmologie -
Wikționarul conține lema dicționarului „ cosmologie ” -
Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre cosmologie
linkuri externe
- Cosmologie , în Dicționar de filosofie , Institutul Enciclopediei Italiene , 2009.
- (EN) Cosmology , of Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.
- (EN) Cosmology , al Enciclopediei științei-ficțiune .
- ( RO ) Lucrări referitoare la cosmologie , în Biblioteca Deschisă , Internet Archive .
- (EN) Cosmology , în Enciclopedia Catolică , Robert Appleton Company.
- Cosmologie - Astronomia.com , pe astronomia.com .
- Introducere în cosmologie , pe vialattea.net .
- Cosmologie , pe bo.astro.it .
- Sistemul mondial: de la Aristarh din Samos la Einstein - Expoziție de cărți antice și rare , pe library.mat.uniroma1.it . Adus la 10 decembrie 2012 (Arhivat din original la 7 aprilie 2014) .
- Cosmologie: rezumatul prelegerii de Dr. Italo Mazzitelli ( PDF ), pe diamante.uniroma3.it . Adus la 1 februarie 2008 (arhivat din original la 11 ianuarie 2007) .
| Controllo di autorità | Thesaurus BNCF 20547 · LCCN ( EN ) sh85033169 · BNF ( FR ) cb119317955 (data) · NDL ( EN , JA ) 00574083 |
|---|
