שונות

מה אנחנו באמת יודעים על היקום?

מה אנחנו באמת יודעים על היקום?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

כמעט מכל נקודת מבט, הקיום הוא די פאנקי ומוזר. אבל כשמגיעים לפיזיקה הבסיסית של כל זה, זה נהיה מוזר עוד יותר! בעוד שאנשים רבים עשויים לחשוב שבתחום המדע הכל ברור ומסודר. אך האם כך הדברים באמת עובדים?

במשך אלפי שנים התלבטו חוקרים ופילוסופים בלי סוף אם החיים והקוסמוס מסודרים או כאוטיים. המדעים לא היו חסינים לוויכוח זה, ותגליות משמעותיות רבות נלקחו על ידי אסכולה זו או אחרת.

למידה אודות תנועות כוכבי הלכת, כוח המשיכה, תורת האטום, תורת היחסות, מכניקת הקוונטים והמבנה הרחב של היקום שימשו לעיתים כדי להוסיף משקל לרעיונות של סדר ותוהו ובוהו.

נכון לעכשיו, יש עמימות רבה בכל הנוגע לשאלה זו, וגילויים עתידיים עשויים לעזור לפתור אותה. אבל בינתיים, טוב לעשות חשבון על מה שלמדנו ומה זה יכול לספר לנו על החיים כפי שאנו מכירים אותם.

מהו היקום?

המילה "יקום" מגיעה מלטינית "אוניברסום", אשר שימשה מחברים רומאים להתייחס לקוסמוס כפי שהכירו אותם. זה כלל את כדור הארץ וכל החיים, כמו גם את הירח, את השמש, את כוכבי הלכת שידעו עליהם (מרקורי, ונוס, מאדים, צדק, שבתאי) והכוכבים.

המונח "קוסמוס", לעומת זאת, נגזר מהמילה היוונית קוסמוס, שפירושו "סדר" או "העולם". מילים אחרות המשמשות בדרך כלל להגדרת כל הקיום הידוע כוללות את "טבע" (מהמילה הגרמנית טבע) והמילה האנגלית "הכל" (מסביר את עצמו).

כיום, המילה אוניברס משמשת מדענים בכדי להתייחס לכל החומר והמרחב הקיימים. זה כולל את מערכת השמש, שביל החלב, כל הגלקסיות הידועות ומבני על. מבחינת המדע המודרני והאסטרופיזיקה, הוא כולל גם את כל הזמן, המרחב, החומר, האנרגיה והכוחות הבסיסיים הקושרים אותם.

לעומת זאת, הקוסמולוגיה משמשת לתיאור חקר היקום (או היקום) והכוחות הקושרים אותו. הודות לאלפי שנות מלגה, מה שאנו יודעים על היקום הפיזי גדל בקפיצות. ועדיין, יש עדיין כל כך הרבה שאנחנו לא מבינים.

כדי לקבל תחושה של היכן אנו נמצאים כיום, עלינו להעיף מבט לאחור ...

היסטוריה של הקוסמולוגיה

בני אדם חקרו את טבע הקיום די הרבה מאז שהם הצליחו ללכת זקוף ולדבר. עם זאת, רוב מה שאנחנו יודעים על חקר הקוסמוס חוזר רק עד קיומם של רשומות כתובות.

למרבה המזל, רבים מהתיעודים הללו מגיעים ממסורות בעל פה שקדמו לכתיבה, ולכן מושג כללי על מה שאבות אבותינו קיים קיים. מה שאנחנו יודעים מצביע על כך שהדיווחים המוקדמים ביותר על יצירת היקום נטו להיות אופי סמלי ומטאפורי.

ככל שנוכל לדעת, לכל תרבות שהייתה קיימת גרסה משלה לסיפור יצירה. ברבים, הזמן וכל החיים התחילו באירוע אחד, בו אלוהים או אלים היו אחראים ליצירת העולם, השמים וכל מה שביניהם. רוב סיפורי הבריאה כללו או הגיעו לשיאם עם לידתה של האנושות.

עדויות ארכיאולוגיות מצביעות על כך שכבר בשנת 8000 לפני הספירה אנשים עקבו אחר אירועים שמימיים, כמו תנועת הירח, במטרה ליצור לוחות שנה. באלף השני לפני הספירה החלה האסטרונומיה להתגלות כשדה מחקר.

כמה מהתצפיות המוקדמות ביותר שנרשמו בשמים מיוחסות לבבלים הקדומים. אלה ימשיכו ליידע את המסורות הקוסמולוגיות והאסטרולוגיות של התרבויות במזרח הקרוב ובים התיכון במשך אלפי שנים קדימה.

הרעיון של זמן סופי נובע לעיתים לתקופה זו ואולי לדת הזורסטרית. בבסיסה זו האמונה שהיקום נוצר, מייצג את התגלגלותה של תוכנית אלוהית ויש לה סוף.

דוקטרינות מאוחרות יותר שדגלו שהזמן התחיל בבריאה, או בבריאה עצמית, ויסתיים בניצחון של סדר על הכאוס, ובגרסה של יום הדין בו הבריאה כולה תתאחד עם הבורא. מושגים אלה הועברו ככל הנראה ליהדות בסביבות המאה ה -6 לפני הספירה עם כיבושה הפרסי של בבל.

הרעיון של הזמן כהתקדמות ליניארית ימשיך ליידע את הקוסמולוגיה המערבית במשך אלפי שנים, והוא קיים עד היום (למשל בתיאוריות "המפץ הגדול" ו"חץ הזמן ").

בין המאה ה -8 לפני הספירה למאה ה -6 לספירה (התקופה המכונה לעתים קרובות "העת העתיקה הקלאסית"), הרעיון לפיו חוקים פיזיקליים השולטים ביקום החל לצבור כוח גדול יותר. גם בהודו וגם ביוון, חוקרים החלו להציע הסברים לתופעות טבע המדגישות סיבה ותוצאה.

לידת האטום

עד המאה ה -5 לפני הספירה, הפילוסוף היווני אמפדוקלס תיאר כי היקום מורכב מארבעת יסודות האדמה, האוויר, המים והאש. בערך באותה תקופה, הופיעה בסין מערכת דומה שהורכבה מחמשת יסודות האדמה, המים, האש, העץ והמתכת.

רעיון זה יהפוך למשפיע, אך עד מהרה יתמודד מולו הפילוסוף היווני לאוציפוס, שתיאטר את הרעיון שהיקום מורכב מחלקיקים בלתי ניתנים לחלוקה המכונים "אטומוס" (ביוונית "בלתי ניתנת לחיתוך").

הרעיון יופק על ידי תלמידו, דמוקריטוס (460 - 370 לפנה"ס), שטען כי אטומים אינם ניתנים להריסה, נצחיים וקובעים את תכונות החומר.

הפילוסוף היווני אפיקורוס (341–270 לפנה"ס) היה משכלל ומפרט את הרעיון הזה. מסיבה זו, זה היה קשור לאסכולה לפילוסופיה בה הוא עורר השראה (אפיקוריאניזם).

הפילוסוף ההודי קנדה, האמין כי חי בין המאה ה -6 וה -2 לפני הספירה, הציע רעיון דומה. בפילוסופיה שלו, כל החומר הורכב מ"פרמנו "- חלקיקים בלתי ניתנים לחלוקה ובלתי ניתנים להריסה. הוא גם הציע כי אור וחום הם אותו חומר בצורה שונה.

הפילוסוף ההודי דיגננה (480 - 540 לספירה), שהיה אחד המייסדים הבודהיסטים של אסכוליית ההיגיון ההודית, הרחיק לכת עוד יותר והציע שכל החומר מורכב מאנרגיה.

תיאוריות אלה נשכחו בעיקר במערב, אך יישארו פופולריות בקרב חוקרים אסלאמיים ואסייתים, שתרגמו אותן לערבית ולשפות אחרות. בסביבות המאה ה -14, העניין ב"אטומיזם "יעלה מחדש במערב, הודות לתרגום של יצירות קלאסיות חזרה ללטינית.

מקומו של כדור הארץ במערכת השמש

בין האלף השני לפני הספירה למאה השנייה לספירה, האסטרונומיה והאסטרולוגיה המשיכו להתפתח ולהתפתח. במהלך תקופה זו, אסטרונומים עקבו אחר התנועות הנכונות של כוכבי הלכת ותנועת הכוכבים דרך גלגל המזלות.

בתקופה זו ניסחו האסטרונומים היוונים את המודל הגיאוצנטרי של היקום, שם סובבים סביב השמש השמש, כוכבי הלכת והכוכבים.

מסורות אלה תמצאו במאה המתמטית והאסטרונומית במאה השנייה לספירהאלמגסט, שנכתב על ידי האסטרונום היווני-מצרי קלאודיוס תלמי (גם כן תלמי).

מסה זו והמודל הקוסמולוגי שהכיל ייחשבו כקנונים על ידי חוקרים אירופאים ואסלאמיים מימי הביניים ויישארו המקור הסמכותי באסטרונומיה במשך יותר מאלף שנים.

בימי הביניים (המאה החמישית - ה -15 לספירה), חוקרים הודים, פרסיים וערבים שמרו על מסורות אסטרונומיות קלאסיות. במקביל, הם הוסיפו להם על ידי הצעת רעיונות מהפכניים - כמו סיבוב כדור הארץ.

כמה חוקרים הרחיקו לכת והציעו מודלים הליוצנטריים של היקום - כמו האסטרונום ההודי אריאבהטה (476–550 לספירה), האסטרונומים הפרסיים אלבומסאר (787 - 886 לספירה), ואל-סיז'י (945 - 1020 לספירה).

יתכן שעבודותיהם קיבלו השראה מיצירותיו הקודמות של אריסטרכוס מסאמוס (310-230 לפנה"ס), סלוקוס מסלאוקיה (190 לפנה"ס - 150 לפנה"ס), ופילוסופים פיתגוראים מסוימים מהמאות הרביעית וה -5 לספירה.

במאה ה -16 פרסם ניקולאוס קופרניקוס דגם שלם של יקום הליוצנטרי. הוא הציע מודל זה בתחילה בכתב יד בן 40 עמודים שכותרתו תגובה ("פרשנות קטנה"), ששוחרר בשנת 1514.

התיאוריה שלו פתרה את הסוגיות המתמשכות שהטרידו את המודלים ההליוצנטריים הקודמים והתבססה על שבעה עקרונות כלליים. אלה הניחו כי:

  1. אין מרכז אחד של כל הכדורים או הכדורים השמיים.
  2. מרכז כדור הארץ הוא המרכז, לא של היקום, אלא רק של כוח הכבידה ושל כדור הירח.
  3. כל הכדורים מקיפים את השמש, שהיא כאילו באמצע כולם, כך שמרכז היקום נמצא ליד השמש.
  4. היחס בין מרחק כדור הארץ לשמש לגובה הרקיע קטן כל כך מהיחס בין רדיוס כדור הארץ למרחקו מהשמש, עד שהמרחק בין כדור הארץ לשמש אינו מורגש בהשוואה לגבהים של רָקִיעַ.
  5. כל תנועה שתופיע ברקיע היא לא בזכותה, אלא בכדור הארץ. בהתאם לכך, כדור הארץ יחד עם האלמנטים הסובבים מבצעים סיבוב מוחלט על הקטבים הקבועים שלו בתנועה יומית, ואילו הרקיע והשמיים הגבוהים ביותר נשארים ללא שינוי.
  6. מה שנראה לנו כתנועות של השמש לא נובע מתנועתו, אלא מתנועת כדור הארץ וכדורנו, שאיתו אנו סובבים על השמש כמו [היינו עם] כל כוכב לכת אחר. לכדור הארץ יש, אם כן, יותר מתנועה אחת.
  7. מה שנראה בכוכבי הלכת בתור [החלופה של] תנועה רטרוגרדית וישירה נובע לא מתנועתם, אלא מתנועת כדור הארץ. תנועת כדור הארץ לבדה, אם כן, מספיקה [כדי להסביר] כל כך הרבה חריגות לכאורה ב השמים.

קופרניקוס ירחיב על רעיונות אלה במגנום אופוס שלו - De revolutionibus אורביום קואליסטיום(על מהפכות התחומים השמימיים) - אותו סיים בשנת 1532. עם זאת, מחשש לרדיפה, קופרניקוס לא יאפשר את פרסומו רק זמן קצר לפני מותו (בשנת 1534).

בעבודה זו, קופרניקוס יחזור על שבעת טיעוניו העיקריים ויספק חישובים מפורטים לגיבוים. רעיונותיו ימשיכו לעורר השראה לאסטרונום, מתמטיקאי וממציא איטלקי גלילאו גליליי (1564 - 1642).

גלילאו היה משתמש בטלסקופ של יצירתו שלו, בהבנתו את הפיזיקה והמתמטיקה, וביישום הקפדני של השיטה המדעית כדי לחדד את תצפיותיו וחישוביו של קופרניקוס.

תצפיותיו של גלילאו על הירח, על השמש ועל צדק יתגלו כמשפיעות מאוד ועזרו לחשוף פגמים במודל הגיאוצנטרי. תצפיותיו על הירח, למשל, חשפו משטח נוקב ומלא לוע, ואילו תצפיותיו על השמש חשפו כתמי שמש.

הוא היה אחראי גם לגילוי הירחים הגדולים ביותר של צדק - איו, אירופה, גנימד וקליסטו - שלימים יקראו לכבודו "הירחים הגליליים".

תגליות אלה סתרו את התפיסות ארוכות הטווח לפיהן השמים היו תחומים מושלמים (תואמים את התיאולוגיה הנוצרית) ושלא היו כוכבי לכת פרט לכדור הארץ לוויינים.

תצפיותיו על כוכבי הלכת גילו כי הופעתם ומיקומם בשמיים תואמים את התיאוריה כי הם מקיפים את השמש.

הוא שיתף את התצפיות הללו במסות כמו סידראוס נונסיוס (שליח הכוכבים) וה על הנקודות שנצפו בשמש,שניהם פורסמו בשנת 1610.

אבל זה היה המסה שלו משנת 1632, Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo (דיאלוג בנושא שתי מערכות עולמיות ראשיות), שם הוא דגל במודל ההליוצנטרי של היקום.

יוהנס קפלר (1571-1630) עידן את המודל עוד יותר עם חוקי התנועה הפלנטרית שלו, שהוכיחו כי מסלולי כוכבי הלכת היו אליפטיים, ולא מעגלים מושלמים (כפי ששמרו גלילאו ואסטרונומים קודמים).

זה למעשה יישב את ה"וויכוח הגדול "על טבעה של מערכת השמש והפך את ההליוצנטריות לקונצנזוס מדעי מסוף המאה ה -17 ואילך.

ממערכת השמש לדרך החלב

גילוי מהפכני נוסף שהתגלה במהלך המאה ה -17 וה -18 היה ההבנה שמערכת השמש שלנו אינה ייחודית. בזכות המצאת הטלסקופ, הבנתנו את דרך החלב השתנתה בצורה קיצונית.

במקום להיות ענן ענק בצורת להקה (כפי שחשבו בעבר), אסטרונומים החלו להבין שהמבנה הערפילי שהם צפו בשמי הלילה במשך אלפי שנים הוא למעשה מיליארדי כוכבים רחוקים.

נכון, הרעיון לא היה חדש לגמרי. במאה ה -13 הציע האסטרונום הפרסי והפולימתי נסיר אלדין אל-טוסי (1201 - 1274) אפשרות זו בספרו: תדהקירה:

"שביל החלב, כלומר הגלקסיה, מורכב ממספר גדול מאוד של כוכבים קטנים ומקובצים היטב, שנראים על רקע ריכוזם וקטנותם כתמים מעוננים. בגלל זה, זה היה משול לחלב בצבע. "

עם זאת, רק במהפכה המדעית (המאה ה -16 - 18 בערך) הצליחו האסטרונומים להתבונן ישירות בכך. ב שליח הכוכבים, תיאר גלילאו את התצפית שערך על "הכוכבים הערפיליים" שנכללו בקטלוג הכוכבים של אלמגסט.

תצפיות אלה הובילו אותו למסקנה כי הקטעים "הערפיליים" בלהקת שביל החלב הם למעשה "קונגירים של אינספור כוכבים המקובצים יחד באשכולות". תגלית זו חיזקה את המקרה להליוצנטריות, מכיוון שהיא הראתה שהיקום גדול בהרבה ממה שחשבו בעבר.

בשנת 1755, הפילוסוף הגרמני עמנואל קאנט תיאר כי שביל החלב הוא מקבץ עצום של כוכבים שהוחזקו יחד בכוח כוח המשיכה ההדדי שלהם. עוד הוא חזה שכוכבים אלה (יחד עם מערכת השמש) היו חלק מדיסק שטוח שסובב סביב מרכז משותף - בדומה לכוכבי הלכת סביב השמש.

בשנת 1785 ניסה האסטרונום ויליאם הרשל ליצור את המפה הראשונה של שביל החלב. הערכותיו לגבי גודלו וצורתו הושלכו מהעובדה שרוב הגלקסיה שלנו מוסתרת על ידי אבק וגז, אך ניסיונו היה אינדיקציה להתקדמות שחלה.

במאה ה -19, אופטיקה וטלסקופים משופרים אפשרו לאסטרונומים למפות יותר את שמי הלילה, מה שהביא רבים למסקנה שמערכת השמש שלנו היא בסך הכל אחת ממיליארדי שביל החלב.

עד המאה ה -20 הם יבינו לראות כי שביל החלב הוא רק אחד ממיליארדים ביקום. אבל דבר אחד בכל פעם ...

ניוטון ואיינשטיין חוללים מהפכה בהכל

הבנת האנושות את היקום תחולל מהפכה בסוף המאה ה -17 על ידי עבודתו של הפולימט הבריטי סר אייזיק ניוטון (1642/43 - 1727). באמצעות תיאוריית התנועה של קפלר, הוא פיתח תיאוריה של כוח המשיכה (המכונה גם כוח משיכה אוניברסלי).

זה תמצה בעבודתו הגדולה, Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica ("עקרונות מתמטיים של פילוסופיה טבעית"), שפורסם בשנת 1687 והכיל את שלושת חוקי התנועה של ניוטון. חוקים אלה קבעו כי:

  1. כאשר מסתכלים במסגרת התייחסות אינרציאלית, אובייקט נשאר במנוחה או ממשיך לנוע במהירות קבועה, אלא אם כן פועל על ידי כוח חיצוני.
  2. סכום הווקטור של הכוחות החיצוניים (F) על אובייקט שווה למסה (m) של אותו אובייקט כפול וקטור ההאצה (a) של האובייקט. בצורה מתמטית זה מתבטא כ- F = ma
  3. כאשר גוף אחד מפעיל כוח על גוף שני, הגוף השני מפעיל בו זמנית כוח השווה בעוצמתו ומנוגד לכיוון על הגוף הראשון.

חוקים אלה תיארו כיצד עצמים מפעילים כוחות זה על זה, וכיצד תנועה מתרחשת כתוצאה מכך. מעבודתו הצליח ניוטון לחשב את מסת כוכבי הלכת, לקבוע שכדור הארץ אינו כדור מושלם וכיצד האינטראקציה של כדור הארץ עם השמש והירח משפיעה על גאות הים.

לחישובים מפורטים אלו ואחרים תהיה השפעה עמוקה על המדעים, ויהוו בסיס לפיזיקה קלאסית (המכונה פיסיקה ניוטונית), שתישאר הקאנון המקובל במשך 200 השנים הבאות.

זה ישתנה בתחילת המאה ה -20, כאשר פיסיקאי תיאורטי צעיר בשם אלברט איינשטיין החל לפרסם סדרת מאמרים שדנה בתיאוריותיו לגבי יחסיות מיוחדת וכללית.

תיאוריות אלה היו בחלקן תוצאה של ניסיון לפתור את חוסר העקביות בין הפיזיקה הניוטונית לחוקי האלקטרומגנטיות שהתגלו לאחרונה - בסיכום הטוב ביותר על ידי משוואות מקסוול וחוק כוח לורנץ).

איינשטיין היה מתייחס לכך לא עקבי באחד העיתונים שכתב בשנת 1905 כשעבד במשרד פטנטים בברן, שוויץ. שכותרתו, “על האלקטרודינמיקה של גופים נעים", מאמר זה הפך לבסיס של יחסיות מיוחדת (SR).

התיאוריה של איינשטיין ערערה על הסכמת העבודה שקיימה בעבר לפיה אור שנע במדיום ייגרר על ידי המדיום הזה. פירוש הדבר שמהירות האור (שכבר נקבעה) הייתה סכום מהירותה דרך מדיום פלוס המהירות שֶׁל המדיום הזה.

זה הוביל לכל מיני סיבוכים תיאורטיים, וניסויים שניסו לפתור את כולם השיגו תוצאות אפסיות. במקום זאת, איינשטיין הצהיר כי מהירות האור זהה בכל מסגרות הייחוס האינרציאליות, תיאוריה שמנעה את הצורך במדיומים או בהסברים זרים.

כתיאוריה, SR לא רק פשט את החישובים המתמטיים ופתר סוגיות בין אלקטרומגנטיות לפיזיקה, אלא גם הסכים מקרוב עם מהירות האור והסביר סטיות שעלו בניסויים.

בין השנים 1907 - 1911 החל איינשטיין ליישם את תיאוריית ה- SR שלו על שדות הכבידה, אזור נוסף בו התקשתה הפיזיקה הניוטונית. בשנת 1911 הגיעו מאמצים אלה לשיאם עם פרסום "על השפעת הכבידה על התפשטות האור“.

מאמר זה הניח את היסודות ליחסיות כללית (GR). בו, איינשטיין חזה כי הזמן הוא יחסית לצופה והוא תלוי במיקומם בתוך שדה הכבידה, וכי מסת הכבידה זהה למסה האינרציאלית (המכונה גם עקרון השוויון).

דבר נוסף שחזה איינשטיין במאמר זה היה הרעיון ששני משקיפים שנמצאים במרחקים שונים ממסה הכבידה יתפסו את זרימת הזמן באופן שונה (המכונה גם הרחבת זמן הכבידה). תיאוריות אלה נותרות חלק מבוסס בפיזיקה המודרנית.

היקום חשוך

לתיאוריות של איינשטיין, שזכו לקבלה נרחבת, היו השלכות רבות על המדעים. בפרט, משוואות השדה שלו לתורת היחסות ניבאו גם את קיומם של חורים שחורים ויקום שנמצא במצב של התרחבות או כיווץ מתמידים.

בשנת 1915, כמה חודשים לאחר שהתפרסם באופן נרחב ב- GR, הפיזיקאי והאסטרונום הגרמני קרל שוורצשילד מצא פיתרון למשוואות השדה של איינשטיין שהוליד את תיאוריית החורים השחורים עשרות שנים לפני שנצפתה.

ידוע גם בשם רדיוס שוורצשילד, פיתרון זה תיאר כיצד מסת כדור יכול להיות דחוס כל כך עד שמהירות הבריחה מפני השטח תהיה זהה למהירות האור. "הרדיוס" במקרה זה מתייחס לגודל שמתחתיו משיכת הכבידה בין חלקיקי הגוף חייבת לגרום לקריסת גרביטציה בלתי הפיכה.

בשנת 1931 הרחיב האסטרופיזיקאי ההודי-אמריקאי סוברהמניאן צ'אנדרסכר את זה על ידי שימוש ב- SR כדי לחשב עד כמה גוף יצטרך להיות מסיבי לפני שהוא יתמוטט על עצמו - המכונה מאוחר יותר כגבול השאנדרסכר.

עד שנת 1939 גילו כוכבי נויטרונים את התיאוריות של צ'נדרסחר בכך שהראו כי גמד לבן עם מסה מתחת לגבול זה אכן מתמוטט. האובייקט שנוצר (כוכב נויטרונים) הוא סופר צפוף כתוצאה מכך ויש לו שדה מגנטי חזק להפליא.

מכאן טענו פיזיקאים כמו רוברט אופנהיימר כי גמד לבן בעל מסה מספקת ימשיך להתמוטט וליצור חור שחור. אמנם זו הייתה מגבלה המונית נוספת לחלוטין (המכונה מגבלת טולמן – אופנהיימר – וולקוף), אך היא עקבית עם התיאוריה של צ'נדרסכר.

בשנות השישים והשבעים, אסטרופיזיקאים ערכו בדיקות רבות של GR באמצעות חורים שחורים ומבנים רחבי היקף (כמו גלקסיות ואשכולות גלקסיות). זה יכונה "תור הזהב של היחסות הכללית" (1960 - 1975) מכיוון שהוא מאפשר לבדוק את התיאוריה של איינשטיין כמו שמעולם לא הייתה.

עם זאת, אסטרופיסיקאים הבחינו במשהו מצמרר במיוחד גם בבדיקות אלה. כאשר התבוננו בגלקסיות ובריכוזי חומר גדולים יותר ביקום, הם גילו כי השפעות הכבידה שנצפו על עצמים אלה אינן עולות בקנה אחד עם מסתם הנראית לעין.

זה הביא את הקהילה המדעית למסקנה שבתוך גלקסיות, יש המון המון שהם לא יכלו לראות. זה הוליד את התיאוריה של חומר אפל, מסה מסתורית שאינה מתקשרת עם "חומר נורמלי" (המכונה חומר גלוי או בריוני) באמצעות הכוח האלקטרומגנטי.

פירוש הדבר שהוא אינו קולט, מחזיר או פולט אור, מה שמקשה מאוד על הבחנה. הוא מתקשר רק עם החומר באמצעות כוח הכבידה שלו. מאמינים כי חומר אפל עולה על חומר גלוי בערך שש לאחד, המהווים כ- 27% מהיקום. סבורים כי הייתה לו השפעה עמוקה על התפתחותו.

היקום מתרחב

תוצאה נוספת של GR הייתה התחזית שהיקום נמצא במצב מתמיד של התרחבות או כיווץ. בשנים 1927 - 1929 אישרו הפיזיקאים הבלגיים (והכומר הקתולי) ז'ורז 'למייטר והאסטרונום האמריקני אדווין האבל כי זה היה הראשון.

באותה תקופה איינשטיין עדיין חיפש דרך לרציונליזציה של הרעיון של יקום סטטי. לשם כך הוא הציע את "הקבוע הקוסמולוגי", שהיה כוח שעדיין לא זוהה ש"עכב את כוח המשיכה "כדי להבטיח שהפצת החומר בקוסמוס תהיה אחידה לאורך זמן.

באמצעות מדידות של העברה אדומה של גלקסיות אחרות, האבל הוכיח שאינשטיין טעה. מדידות אלה הראו כי האור המגיע מגלקסיות אלה קיצר את אורכי הגל - כלומר הועבר לקצה האדום של הספקטרום - מה שהצביע על כך שהמרחב המתערב מתרחב.

התצפיות של האבל הראו גם שהגלקסיות שהיו הכי רחוקות משלנו נסוגו מהר יותר. תופעה זו תכונה בשם חוק האבל, והקצב שבו זה קרה היה ידוע בשם האבל קונסטנט.

בשנת 1931, ז'ורז 'למייטר היה משתמש בתופעות שגילה יחד כדי לבטא רעיון שליקום יש התחלה. לאחר שאישר באופן עצמאי כי היקום מתרחב, הוא הציע שהוא קטן בהדרגה ככל שנראה רחוק יותר בזמן.

בשלב מסוים בעבר, כך נימק, כל המסה של היקום הייתה מרוכזת בנקודה אחת. תגליות אלה עוררו ויכוח בין פיזיקאים שחולקו לשתי אסכולות.

הרוב עדיין דגלו בכך שהיקום נמצא במצב יציב (כלומר תיאוריית המדינה היציבה), שם נוצר ברציפות חומר ככל שהיקום מתרחב, ובכך מבטיח אחידות לאורך זמן.

בצד השני היו מי שהאמינו שהיקום מתרחב בהדרגה, וצפיפות החומר יורדת אט אט כתוצאה מכך. הרעיון הזה זכה לכינוי "תיאוריית המפץ הגדול", כינוי שהוקצה בקפידה על ידי תומכי תיאוריית המדינה היציבה.

לאחר מספר עשורים הופיעו שורות ראיות מרובות שהעדיפו את הפרשנות של המפץ הגדול. זה כלל גילוי ואישור הרקע למיקרוגל הקוסמי (CMB) בשנת 1965, אותו ניבאה תיאוריית המפץ הגדול.

CMB הוא בעצם "קרינת שרידים" שנשארה מהמפץ הגדול שמתרחבת במהירות האור מאז. על ידי מדידת המרחק של ה- CMB, שהוא כ- 13.8 מיליארד שנה לכל הכיוונים, הצליחו מדענים להציב מגבלות על עידן היקום.

בשנות התשעים, שיפורים בטלסקופים קרקעיים והכנסת טלסקופי חלל הובילו לתגליות חדשות ומדהימות. מדענים האמינו כי כוח המשיכה יביא בסופו של דבר להאטת התפשטות היקום. עם זאת, אסטרונומים הבחינו כעת כי בארבעת מיליארד השנים האחרונות ההתרחבות הקוסמית מאיצה למעשה.

זה הוליד את התיאוריה של האנרגיה האפלה, כוח מסתורי שאיכשהו פועל נגד כוח הכבידה ומרחיק את היקום. תיאורטיקנים העלו הסברים שונים לעניין החושך. היו שהציעו ש"הקבוע הקוסמולוגי "של איינשטיין אולי היה נכון לאורך כל הדרך. אחרים הציעו כי תורת הכבידה של איינשטיין אינה נכונה ויש צורך בתיאוריה חדשה הכוללת שדה כלשהו שיוצר תאוצה קוסמית זו.

תיאוריה קוסמולוגית אחת מובילה כיום מתוארת על ידי החומר הכהה הקרה למבדה (λCDM). זהו כיום המודל הפשוט ביותר המהווה את רוב המאפיינים הנצפים של היקום. היא קובעת שרוב היקום מורכב מאנרגיה אפלה, חומר אפל וחומר רגיל ומכונה גם המודל הסטנדרטי של הקוסמולוגיה של המפץ הגדול. ההנחה היא כי תורת היחסות הכללית היא תיאוריית הכבידה הנכונה בקנה מידה קוסמולוגי ומספרת רבות מהמאפיינים של הקוסמוס, כולל רקע המיקרוגל הקוסמי ותאוצת התפשטות היקום.

אז מה אנחנו לא יודעים?

התשובה לשאלה זו היא, די הרבה באמת! כדי לענות על כך ביעילות, עם זאת, עלינו לבחון כיצד מדענים חוקרים את היקום מלמעלה למטה ולשים לב למקום הפערים.

בתור התחלה, מדענים מבינים כיצד חומר, זמן ומרחב מתנהגים בקנה מידה הגדול ביותר. זה מסוכם בצורה הטובה ביותר על ידי GR, המתאר במדויק כיצד קשורים מסה וכוח המשיכה ומשפיעים על זמן המרחב.

עם זאת, מאז שנות השישים, אסטרופיזיקאים הגיעו לקבל שיש שם המון המון שהם לא יכולים לראות. אמנם זה הגיוני מבחינה תיאורטית, אך ניסיונות למצוא חומר אפל עד כה לא העלו דבר מכריע.

אז למרות שאפשר לומר שאנחנו יודעים כמה חומר קיים, אנחנו לא יכולים להסביר באופן סופי את רובו. באופן דומה, ידענו כי היקום נמצא במצב של התרחבות מאז סוף שנות העשרים. עם זאת, איננו יודעים מדוע בדיוק.

ניתן להסביר את קצב התרחבות היקום על ידי נוכחות של אנרגיה אפלה. אבל בדיוק כמו החומר האפל, החקירות עדיין לא קבעו מה זה באמת.

ויש היקף היקום עצמו. עם גילוי ה- CMB, אסטרונומים וקוסמולוגים הצליחו להתחקות אחר התפתחות הקוסמוס והצליחו להעריך מקרוב את גיל זה. ההערכה הנוכחית היא שהקוסמוס הוא בן 13.799 ± 0.021 מיליארד שנה.

אבל באשר לכמה הוא גדול? זה נשאר בגדר תעלומה. בהתבסס על קצב ההתרחבות הקוסמית, האסטרופיזיקאים מעריכים כי היקום ה"נצפה "הוא כדור שגודלו כ -93 מיליארד שנות אור לרוחבו. עם זאת, מעבר לכך, היקום ככל הנראה מתרחב הרבה יותר ואף יכול להיות אינסופי.

בקצה השני של הדברים, מדענים קבעו כי ישנם ארבעה כוחות בסיסיים (המכונים גם אינטראקציות בסיסיות) השולטים בכל אינטראקציות החומר והאנרגיה ביקום.

כוחות אלה מורכבים מכוח הכבידה (המיוחס לעקמת זמן החלל ומתואר על ידי GR) ושלושת השדות הנפרדים של מכניקת הקוונטים - המכונים באופן קולקטיבי תורת השדות הקוונטים (QFT).

שדות אלה כוללים את הכוח הגרעיני החלש, את הכוח הגרעיני החזק ואת האלקטרומגנטיות - העוסקים בחלקיקים תת אטומיים ובאינטראקציות שלהם, כמתואר במודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים.

דרך נוספת להסתכל על כך היא לקבץ את האינטראקציות הללו למערכת של שלוש קטגוריות: גרביטציה, כוחות חשמליים וכוחות חזקים. שתי הקטגוריות האחרונות הללו מחולקות לכוחות גרעיניים ואלקטרומגנטיים חלשים, ולכוחות גרעיניים בסיסיים ושאירים.

בעוד שכוח המשיכה קושר בין כוכבי לכת, כוכבים, גלקסיות ואשכולות גלקסיה (כלומר רמת המקרו), כוחות חשמל חלשים קושרים אטומים ומולקולות, ואילו כוחות חזקים קושרים הדרונים וגרעינים אטומיים.

כאן טמונה הבעיה. מדענים מבינים כיצד כוח המשיכה פועל בגודל הגדול ביותר של המאזניים, אך לא בקטן ביותר. זה מבדיל אותו מכל שאר הכוחות הידועים ביקום שיש להם מולקולה תת-אטומית תואמת.

עבור חשמל ומגנטיות, ישנם אלקטרונים ופוטונים. עבור כוחות גרעיניים חלשים וחזקים, ישנם בוזונים, גלונים ומזונים. נכון לעכשיו, עם זאת, אין דבר כזה "גרביטון", לפחות לא מחוץ להיפותטי.

ועד כה, כל הניסיונות למצוא תיאוריה חותכת של כוח המשיכה הקוונטי - aka. תיאוריה של הכל (ToE) - נכשלו. הוצעו כמה תיאוריות לפתור זאת - המתמודדים המובילים הם תורת המיתרים וכבידה קוונטית בלולאה - אך אף אחת מהן עדיין לא הוכחה בהחלטה.

איך הכל ייגמר?

אוקיי, הנה העניין ... גם אנחנו לא יודעים את זה. נכון, הרעיון שליקום היה התחלה גורם באופן טבעי לרעיון שיהיה לו סוף אפשרי. אם היקום אכן התחיל כנקודה זעירה בזמן החלל שפתאום התחילה להתרחב, האם זה אומר שהוא ימשיך להתרחב לנצח?

או, כפי שתוארה גם היא, האם היא תפסיק להתרחב ותתחיל להתכווץ, ובסופו של דבר תצמצם חזרה למסה כדורית זעירה? שאלה זו היא שהשתוללה מאז שהקוסמולוגים החלו להתווכח כיצד התחיל היקום - המפץ הגדול או המדינה היציבה?

לפני תצפיות שהראו כיצד היקום מתרחב בקצב מואץ, רוב הקוסמולוגים היו בעלי שני מוחות בנושא. אלה נודעו בתרחישים "הקראנץ 'הגדול" וה"הקפאה גדולה ".

בראשון, היקום יתרחב עד שייגמר לו האנרגיה ואז יתחיל להתמוטט על עצמו. בהנחה שהיקום יגיע לנקודה בה צפיפות המסה שלו גדולה מצפיפותו הקריטית, היקום יתחיל להתכווץ.

לחלופין, אם צפיפות היקום שווה לצפיפות הקריטית או מתחת לה, היקום ימשיך להתרחב עד להפסקת היווצרות הכוכבים. בסופו של דבר, כל הכוכבים יגיעו לסוף תוחלת החיים שלהם ויהפכו לקליפות מתות או לחורים שחורים.

בסופו של דבר, החורים השחורים היו מתנגשים ויוצרים חורים שחורים גדולים וגדולים יותר. בסופו של דבר זה יוביל ל"מוות חום "ביקום, שם תיכלך הקרינה האלקטרומגנטית האחרונה. החורים השחורים עצמם ייעלמו בסופו של דבר לאחר שהם משילים את אחרון קרינת הוקינג שלהם.

מאז שנות התשעים, תצפיות שהובילו לתורת האנרגיה האפלה עוררו דיונים חדשים על גורל היקום. כעת תיאורטית שככל שהחלל ממשיך להתרחב, יותר ויותר מהיקום הנצפה יעברו מעבר ל- CMB ויהפכו לבלתי נראים לצופים.

בינתיים, ה- CMB ימשיך להזיז באדום עד שהוא נראה רק באורך הגל של הרדיו. בסופו של דבר הוא ייעלם לחלוטין ואסטרונומים לא יראו דבר מלבד שחור מעבר לקצה הגלוי.

אפשרות נוספת היא תרחיש "Big Rip", שבו המשך ההתרחבות תוביל בסופו של דבר לכל הגלקסיות, הכוכבים, כוכבי הלכת ואפילו האטומים עצמם להיקרע, מה שיוביל למוות של כל החומר.

ביג קראנץ ', Big Freeze או Big Rip? At this juncture, we just don't know. The same is true when it comes to theories of how the Universe began - was it a Big Bang or more of a Big Bounce?

This is also the case when it comes to our attempts to unify gravity with the other fundamental forces. Right now, the best we have are theories that have a certain logical consistency but remain unproven.

As Socrates famously said: "One thing only I know, and that is that I know nothing." This knowledge, it is said, is what made Socrates the wisest man in all the land. In the same respect, humanity's grasp of the Universe is strangely paradoxical.

We know it's expanding, we're just not sure how. We know how much mass is out there, we just can't see most of it. We know how gravity works, just not how it fits with the other forces. We don't know how it began or will end, but we have some theories that fit with the observable evidence.

So while there is much that we don't know about the Universe, we at least have a pretty good idea of what we don't know. This puts us at an advantage over previous generations of humanity who were not only ignorant of the Universe at large but ignorant or their ignorance.

We are also at a point in our technological evolution where we can see more of the Universe than ever before, whether that's on the largest or smallest of scales. Between next-generation instruments, supercomputers, and particle accelerators, scientists are pushing the boundaries of what we can see.

The only way to overcome ignorance is to know where our ignorance lies and then address it. In that respect, humanity is poised to learn a great deal in the near future!

  • NASA- The Big Bang
  • CERN - The Standard Model
  • Wikipedia - Theory of Everything
  • Hyperphysics - General Relativity
  • Space - Einstein's Theory of Relativity
  • University of Cambridge - David Tong: Special Relativity
  • Stanford Encyclopedia of Philosophy - Quantum Field Theory
  • Marxist.org - Albert Einstein Reference Archive: The Special and General Theory


צפו בסרטון: Mind Blowing!..Earth Compared To The Rest Of The Universe - Amazing Graphic Presentation (יולי 2022).


הערות:

  1. Anchises

    all staff leave today?

  2. Job

    לדעתי הם טועים. כתוב לי בראש הממשלה.



לרשום הודעה