Die Kosmologie, die Wissenschaft von den Eigenschaften und der Entwicklung des Universums, hat ihren Ursprung in der Antike. In den letzten hundert Jahren ist dies der Fall
Die Autoren teilten die Entwicklungsgeschichte der Kosmologie in vier Phasen ein.
Kosmologie, Beginn: 1917-1960
In der ersten Periode der Entwicklung der mathematischen Kosmologie tauchten viele neue grundlegende Ideen auf, die noch immer eine wichtige Rolle bei der Bildung der theoretischen Kosmologie spielen. Hier sind einige davon:
- Kosmologische Konstante und Vakuumenergie;
- Einheitlichkeit des Universums;
- Inhomogene anisotrope kosmologische Modelle;
- Evolution versus stationärer Zustand des Universums;
- Heißer Urknall;
- Kausalität und Zeitreisen;
- Lokale und globale Struktur.
Alle oben vorgestellten Ideen sind gleich.grundlegend und wichtig für das Studium der theoretischen Kosmologie heute wie zu Beginn der Entwicklung der Wissenschaft. Wie die Autoren des Artikels anmerken, hat die weitere Entwicklung des Fachgebiets in den kommenden Jahrzehnten bewiesen, dass all diese neuen und wichtigen Ideen „immer noch eine große Rolle spielen, aber gleichzeitig nur einen kleinen Teil des komplexen Netzwerks von Methoden und Richtungen, die heute die mathematische Kosmologie ausmachen.“
Datum8. Februar 1917gilt als die Geburtsstunde der modernen Kosmologie.Damals demonstrierte Einstein die erste Anwendung der Allgemeinen Relativitätstheorie (GR) auf das Universum. Er schuf das erste moderne kosmologische Modell, in dem Materie bewegungslos ist. Gleichzeitig hat es ein endliches Volumen, es kennt keine Grenzen. Die statische Natur des Universums wird nach Einstein dadurch erreichtKosmologische Konstante. Das ist was es bedeutet.
Dunkle Energie wirkt der Schwerkraft entgegen„verantwortlich“ für die Erweiterung des Weltraums. Im Gegensatz zur gewöhnlichen Schwerkraft, die um große Massen herum auftritt, wirkt dunkle Energie überall und ist daher mit dem Raum selbst verbunden. Wissenschaftler haben sogar berechnet, wie viel dieser „Abstoßungsenergie“ in einem Kubikmeter Raum enthalten ist: 6×10−10 Joule pro Kubikmeter. Die kosmologische Konstante ist die Größe dieser Kraft. Dies ist die Energie der Raumzeit selbst. Seine Größe ändert sich an keinem Punkt im Universum im Laufe der Zeit.
Dann gelang dem russischen Mathematiker Alexander Friedman ein Durchbruch in der modernen Kosmologie. IN1922er fand die Lösung für Einsteins Gleichungen, dieBeschreiben Sie ein dynamisch expandierendes Universum. Darüber hinaus wurde die Theorie experimentell bestätigt. Dies gelang dem britischen Astronomen Edwin Hubble. IN1929von entdeckte das BerühmteRotverschiebungGalaxien.
Rotverschiebung – ExpansionsindikatorUniversum. Wenn sich der Weltraum ausdehnt, „fliegen“ Galaxien voneinander weg, ihre Koordinaten bleiben jedoch gleich. Der einfachste Weg, diesen Prozess zu verstehen, besteht darin, sich vorzustellen, dass der Weltraum ein Ballon ist, auf dem Galaxien „geklebt“ sind. Es dehnt sich (wie der Weltraum) aus, aber die Position der Galaxien ändert sich nicht, die Markierungen bleiben an ihren Koordinaten „kleben“.
Später,im Jahr 1947, basierend auf diesen Informationen, formulierte Georgy Gamow (USA).Theorie des heißen Universums. Nach diesem kosmologischen Modell begann seine Entwicklung in einem Zustand dichten heißen Plasmas. Das Universum bestand aus Elementarteilchen.
Zwei Jahre später,im Jahr 1949 , dieser Prozess der Geburt des Universums wurde als bekanntGroße Explosion. Es wird angenommen, dass der Begriff geprägt wurdeDer britische Astronom Fred Hoyle. Nach diesem Modell befand sich das Universum, bevor es sich auszudehnen begann, in einem singulären Zustand. Heute werden diese beiden Konzepte kombiniert, sind aber tatsächlich unabhängig voneinander.
Zweite Periode: 1960–1980
Neue Ideen, die in dieser Zeit entstanden sind und einen besonderen Bezug zur Kosmologie haben, lassen sich wie folgt zusammenfassen:
- Geometrische Erweiterungen der Allgemeinen Relativitätstheorie;
- Singularitätssätze, globale Methoden;
- BCL-Singularität;
- Universum Mixmaster;
- Physik der Elementarteilchen.
Am Ende1970erEntdeckungen in der Teilchenphysik führten zur Erstellung von ModellenGroße Vereinigung, die einen direkten Einfluss auf die Kosmologie hatte.
Kurz gesagt, alle Kräfte, mit denen die MenschheitBegegnungen jeden Tag lassen sich auf vier Kategorien reduzieren: Schwerkraft, Elektromagnetismus, starke und schwache Kräfte. Der Kern der Theorien der Großen Vereinigung besteht darin, die starken, schwachen und elektromagnetischen Wechselwirkungen irgendwie miteinander zu verknüpfen. Es wird angenommen, dass sie sich bei extrem hohen Energien verbinden.
Also, der Physiker Sheldon Glashow (ja, zu Ehren von ihm).benannte die Figur Sheldon Cooper aus der TV-Serie „The Big Bang Theory“) und Steven Weinberg und Abdus Salam erhielten 1979 den Nobelpreis für Physik für die Kombination der elektromagnetischen Kraft mit der schwachen Kraft zum Konzept der elektroschwachen Kraft. Physiker, die an der Großen Einheitlichen Theorie arbeiten, versuchen, die elektroschwache Kraft mit der starken Kraft zu kombinieren, um die Elektron-Kernkraft zu definieren. Modelle hatten es zuvor vorhergesagt, es war jedoch noch nicht beobachtet worden.
Dritte Periode: 1980–2000
Neue Ideen, die in dieser Zeit entstanden:
- inflationäre Kosmologie;
- Multiversum;
- Wellenfunktion des Universums;
- Das Problem des kosmologischen Maßes;
- Kinderuniversen und Wurmlöcher;
- Universen von Kaluza – Klein;
- String-Kosmologie;
- Das Problem der kosmologischen Stabilität.
In dieser Zeit entstand die Hypothesein dem das Universum, in dem wir leben, möglicherweise nicht das einzige ist, das existiert. Tatsächlich gibt es unendlich viele Universen, und sie sind alle im Multiversum vereint. Dieses Konzept mag etwas verrückt erscheinen, aber wenn es wahr ist, gibt es eine alternative Welt. Es ist ähnlich wie das, in dem wir leben. Obwohl Physiker behaupten, das Multiversum sei nur eine Fiktion, versuchen einige Wissenschaftler, dies zu beweisen. Sogar Stephen Hawking versuchte, ihr Paradoxon zu lösen.
Es gibt eine Theorie, die zur Hypothese passtExistenz des Multiversums – eine chaotische Inflationstheorie. Demnach passierte die Inflation nicht einmalig und endete, sondern sie dauert an und entwickelt sich in verschiedenen Regionen des Weltraums. Übrigens tauchte in der „dritten Periode“ der Entwicklung der Kosmologie die Inflationshypothese auf, die die Vorstellung vom physikalischen Zustand und dem Expansionsgesetz des Universums im frühen Stadium des Urknalls verändert. Bemerkenswert ist, dass es im Vergleich zum Standardmodell eines heißen Universums von einer beschleunigten Expansion ausgeht.
Vierter Zeitraum: von 2000 bis heute
Wie die Autoren des Artikels schreiben, ist „das gesamte Entwicklungsfeld der mathematischen Kosmologie im Vergleich zu seinem Bild vor 50 Jahren bis zur Unkenntlichkeit gereift“.
Hier sind die wichtigsten Ideen der letzten 20 Jahre:
- M-Theorie und Kosmologie;
- Branes und Parallelwelten;
- Topologische Probleme und dynamische Entwicklung;
- Allgemeingültigkeit in der Kosmologie;
- Modelle der Dunklen Energie.
Eines der beliebtesten und am meisten untersuchten ThemenIn der Kosmologie ist dunkle Energie der Hauptbestandteil der aktuellen Beschleunigung des Universums. Seit 1998 ist sie Gegenstand intensiver Aufmerksamkeit. Dann entdeckten zwei Wissenschaftlerteams mithilfe unterschiedlicher Datensätze und Methoden, dass die Expansionsrate entfernter Supernovae im Verhältnis zu ihrer Entfernung „nach oben“ verläuft. Seitdem hat diese Entdeckung große Auswirkungen auf die Kosmologie und bestätigt die Erwartungen an die kosmologische Konstante – das sogenannte ΛCDM (Lambda-CDM-Modell, englisch Cold Dark Matter, kalte dunkle Materie).
Heutzutage umfassen Modelle der Dunklen Energie die gesamte Welteine Reihe von Möglichkeiten, von der kosmologischen Konstante über Skalarfelder – die sogenannte Quintessenz – bis hin zu modifizierten Theorien der Schwerkraft. Das wirklich Erstaunliche an dieser hypothetischen Energieart ist die Tatsache, dass sie eine Vielzahl modifizierter Theorien der Schwerkraft und anderer exotischer Energieformen kombiniert, um nach dem fehlenden „Link“ des Universums zu suchen.
Die allgemeine Meinung von Wissenschaftlern ist, dass esfüllt den gesamten Raum des Universums aus und macht 72 % seiner Masse (Energie) aus. Anderen Schätzungen zufolge 66,2 %. Der andere Bestandteil der verbleibenden Materie im Universum besteht aus Dunkler Materie, die weitere 24 % ausmacht. Aber alle sichtbaren Bestandteile von Materie und Strahlung können nur winzige 4 % ausmachen. Wie dies geschah, ist heute vielleicht das größte Rätsel des Universums.
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Grundlage: 100 Jahre mathematische Kosmologie: Modelle, Theorien und Probleme, Teil A und Teil B.