Memahami Kosmologi dan Dampaknya

Kosmologi bisa menjadi disiplin yang sulit untuk ditangani, karena merupakan bidang studi dalam fisika yang menyentuh banyak bidang lain. (Meskipun, pada kenyataannya, akhir-akhir ini hampir semua bidang studi dalam bidang fisika menyentuh banyak bidang lain.) Apa itu kosmologi? Apa yang sebenarnya dipelajari oleh orang-orang yang mempelajarinya (disebut kosmolog)? Bukti apa yang ada untuk mendukung pekerjaan mereka?

Kosmologi adalah disiplin ilmu yang mempelajari asal mula dan akhirnya nasib alam semesta. Ini sangat terkait erat dengan bidang-bidang khusus astronomi dan astrofisika, meskipun abad terakhir ini juga telah membawa kosmologi selaras dengan wawasan kunci dari fisika partikel.

Dengan kata lain, kita mencapai realisasi yang menarik:

Pemahaman kami tentang kosmologi modern berasal dari menghubungkan perilaku terbesar struktur di alam semesta kita (planet, bintang, galaksi, dan kluster galaksi) bersama dengan yang ada di Bumi terkecil struktur di alam semesta kita (partikel fundamental).

Studi kosmologi mungkin adalah salah satu bentuk tertua dari penyelidikan spekulatif ke alam, dan itu dimulai di beberapa titik dalam sejarah ketika seorang manusia purba memandang ke arah langit, mengajukan pertanyaan seperti berikut:

• Bagaimana kami bisa sampai di sini?
• Apa yang terjadi di langit malam?
• Apakah kita sendirian di alam semesta?
• Benda-benda mengkilap apa di langit?

Anda mendapatkan idenya.

Orang dahulu datang dengan beberapa upaya yang cukup baik untuk menjelaskan ini. Kepala di antara ini dalam tradisi ilmiah barat adalah fisika orang Yunani kuno, yang mengembangkan model geosentris yang komprehensif tentang alam semesta yang disempurnakan selama berabad-abad hingga zaman Ptolemeus, pada saat itu kosmologi benar-benar tidak berkembang lebih jauh selama beberapa abad, kecuali dalam beberapa detail tentang kecepatan berbagai komponen sistem.

Kemajuan besar berikutnya di bidang ini berasal dari Nicolaus Copernicus pada 1543, ketika ia menerbitkan buku astronominya di ranjang kematiannya. (mengantisipasi bahwa itu akan menimbulkan kontroversi dengan Gereja Katolik), menguraikan bukti untuk model heliosentris dari matahari sistem. Wawasan kunci yang memotivasi transformasi dalam pemikiran ini adalah gagasan bahwa tidak ada yang nyata alasan untuk menganggap bahwa Bumi mengandung posisi yang secara fundamental istimewa dalam fisik kosmos. Perubahan asumsi ini dikenal sebagai Prinsip Copernicus. Model heliosentris Copernicus menjadi lebih populer dan diterima berdasarkan karya Tycho Brahe, Galileo Galilei, dan Johannes Kepler, yang mengumpulkan bukti eksperimental substansial untuk mendukung model heliosentris Copernicus.

Dulu Sir Isaac Newton namun, yang mampu menyatukan semua penemuan ini untuk benar-benar menjelaskan gerakan planet ini. Dia memiliki intuisi dan wawasan untuk menyadari bahwa gerakan benda yang jatuh ke bumi mirip dengan gerakan benda yang mengorbit Bumi (pada intinya, benda-benda ini terus jatuh sekitar bumi). Karena gerakan ini mirip, dia menyadari itu mungkin disebabkan oleh kekuatan yang sama, yang dia sebut gravitasi. Dengan pengamatan cermat dan pengembangan matematika baru disebut kalkulus dan miliknya tiga hukum gerak, Newton mampu menciptakan persamaan yang menggambarkan gerakan ini dalam berbagai situasi.

Meskipun hukum gravitasi Newton bekerja untuk memprediksi gerakan langit, ada satu masalah... tidak jelas bagaimana cara kerjanya. Teori ini mengusulkan bahwa objek dengan massa saling menarik satu sama lain melintasi ruang, tetapi Newton tidak dapat mengembangkan penjelasan ilmiah untuk mekanisme yang digunakan gravitasi untuk mencapai ini. Untuk menjelaskan hal yang tidak dapat dijelaskan, Newton mengandalkan daya tarik generik kepada Tuhan, pada dasarnya, objek berperilaku seperti ini dalam menanggapi kehadiran sempurna Tuhan di alam semesta. Untuk mendapatkan penjelasan fisik akan menunggu lebih dari dua abad, sampai kedatangan seorang jenius yang kecerdasannya dapat melampaui bahkan Newton.

Kosmologi Newton mendominasi sains sampai awal abad kedua puluh ketika Albert Einstein mengembangkan teorinya tentang Relativitas umum, yang mendefinisikan kembali pemahaman ilmiah tentang gravitasi. Dalam formulasi baru Einstein, gravitasi disebabkan oleh pembengkokan ruangwaktu 4-dimensi sebagai tanggapan terhadap keberadaan benda besar, seperti planet, bintang, atau bahkan galaksi.

Salah satu implikasi menarik dari formulasi baru ini adalah ruangwaktu itu sendiri tidak berada dalam keseimbangan. Dalam waktu yang cukup singkat, para ilmuwan menyadari bahwa relativitas umum meramalkan bahwa ruangwaktu akan berkembang atau berkontraksi. Percaya Einstein percaya bahwa alam semesta sebenarnya abadi, ia memperkenalkan a konstanta kosmologis ke dalam teori, yang memberikan tekanan yang menetralkan ekspansi atau kontraksi. Namun, ketika astronom Edwin Hubble akhirnya menemukan bahwa alam semesta sebenarnya mengembang, Einstein menyadari bahwa ia telah melakukan kesalahan dan menghilangkan konstanta kosmologis dari teori tersebut.

Jika alam semesta mengembang, maka kesimpulan alami adalah bahwa jika Anda ingin memundurkan alam semesta, Anda akan melihat bahwa itu pasti dimulai dalam gumpalan materi yang kecil dan padat. Teori tentang bagaimana alam semesta dimulai menjadi disebut Teori Big Bang. Ini adalah teori kontroversial selama dekade pertengahan abad kedua puluh, karena ia bersaing untuk dominasi melawan Fred Hoyle teori kondisi mapan. Penemuan radiasi latar belakang gelombang mikro kosmik pada tahun 1965, bagaimanapun, mengkonfirmasi prediksi yang telah dibuat sehubungan dengan ledakan besar, sehingga menjadi diterima secara luas di kalangan fisikawan.

Meskipun dia terbukti salah tentang teori steady state, Hoyle dikreditkan dengan perkembangan utama dalam teori nukleosintesis bintang, yang merupakan teori bahwa hidrogen dan atom ringan lainnya ditransformasikan menjadi atom yang lebih berat di dalam cawan lebur nuklir yang disebut bintang, dan dimuntahkan ke alam semesta setelah kematian bintang tersebut. Atom-atom yang lebih berat ini kemudian terbentuk menjadi air, planet, dan akhirnya kehidupan di Bumi, termasuk manusia! Jadi, dalam kata-kata banyak kosmolog terpesona, kita semua terbentuk dari debu bintang.

Pokoknya, kembali ke evolusi alam semesta. Ketika para ilmuwan mendapatkan lebih banyak informasi tentang alam semesta dan lebih hati-hati mengukur radiasi latar belakang gelombang mikro kosmik, ada masalah. Ketika pengukuran terperinci diambil dari data astronomi, menjadi jelas bahwa konsep-konsep dari kuantum Fisika diperlukan untuk memainkan peran yang lebih kuat dalam memahami fase awal dan evolusi alam semesta. Bidang kosmologi teoretis ini, meskipun masih sangat spekulatif, telah tumbuh cukup subur dan kadang-kadang disebut kosmologi kuantum.

Fisika kuantum menunjukkan alam semesta yang cukup dekat untuk menjadi seragam dalam energi dan materi tetapi tidak sepenuhnya seragam. Namun, setiap fluktuasi di alam semesta awal akan berkembang pesat selama milyaran tahun di mana alam semesta berkembang... dan fluktuasi jauh lebih kecil dari yang diharapkan. Jadi kosmolog harus mencari cara untuk menjelaskan alam semesta awal yang tidak seragam, tetapi yang punya hanya fluktuasi yang sangat kecil.

Masukkan Alan Guth, ahli fisika partikel yang menangani masalah ini pada 1980 dengan perkembangannya teori inflasi. Fluktuasi di alam semesta awal adalah fluktuasi kuantum kecil, tetapi mereka dengan cepat berkembang di alam semesta awal karena periode ekspansi yang sangat cepat. Pengamatan astronomi sejak 1980 telah mendukung prediksi teori inflasi dan sekarang menjadi pandangan konsensus di antara sebagian besar kosmologis.

Meskipun kosmologi telah berkembang pesat selama abad terakhir, masih ada beberapa misteri terbuka. Faktanya, dua misteri sentral dalam fisika modern adalah masalah dominan dalam kosmologi dan astrofisika:

• Dark Matter - Beberapa galaksi bergerak dengan cara yang tidak dapat sepenuhnya dijelaskan berdasarkan jumlah materi yang ada diamati di dalamnya (disebut "materi terlihat"), tetapi yang dapat dijelaskan jika ada materi tambahan yang tak terlihat di dalam galaksi. Materi tambahan ini, yang diperkirakan mengambil sekitar 25% dari alam semesta, berdasarkan pengukuran paling baru, disebut materi gelap. Selain pengamatan astronomi, percobaan di Bumi seperti Cryogenic Dark Matter Search (CDMS) sedang mencoba untuk secara langsung mengamati materi gelap.
• Energi Gelap - Pada tahun 1998, para astronom berusaha untuk mendeteksi tingkat di mana alam semesta melambat... tetapi mereka menemukan bahwa itu tidak melambat. Bahkan, tingkat akselerasi semakin cepat. Tampaknya konstanta kosmologis Einstein diperlukan setelah semua, tetapi alih-alih memegang alam semesta sebagai a keadaan keseimbangan itu tampaknya mendorong galaksi terpisah pada tingkat yang lebih cepat dan lebih cepat seiring berjalannya waktu di. Tidak diketahui persis apa yang menyebabkan "gravitasi tolakan" ini, tetapi nama yang diberikan fisikawan pada zat itu adalah "energi gelap." Pengamatan astronomi memperkirakan bahwa energi gelap ini membentuk sekitar 70% dari alam semesta zat.

Ada beberapa saran lain untuk menjelaskan hasil yang tidak biasa ini, seperti Modified Newtonian Dynamics (MOND) dan kecepatan variabel kosmologi cahaya, tetapi alternatif ini dianggap pinggiran teori yang tidak diterima di antara banyak fisikawan di bidang.

Perlu dicatat bahwa teori big bang sebenarnya menggambarkan cara alam semesta berevolusi sejak itu tidak lama setelah dibuat, tetapi tidak dapat memberikan informasi langsung tentang asal sebenarnya dari alam semesta.

Ini bukan untuk mengatakan bahwa fisika tidak dapat memberi tahu kita apa pun tentang asal usul alam semesta. Ketika fisikawan mengeksplorasi skala ruang terkecil, mereka menemukan bahwa fisika kuantum menghasilkan penciptaan partikel virtual, sebagaimana dibuktikan oleh Efek Casimir. Faktanya, teori inflasi memprediksi bahwa jika tidak ada materi atau energi, maka ruangwaktu akan meluas. Karena dianggap langsung, ini, memberikan para ilmuwan penjelasan yang masuk akal tentang bagaimana alam semesta pada awalnya dapat terbentuk. Jika ada "tidak ada" yang benar, tidak ada masalah, tidak ada energi, tidak ada ruangwaktu, maka tidak ada yang tidak stabil dan akan mulai menghasilkan materi, energi, dan ruangwaktu yang berkembang. Ini adalah tesis sentral dari buku-buku seperti Desain Grand dan A Universe From Nothing, yang mengemukakan bahwa alam semesta dapat dijelaskan tanpa mengacu pada dewa pencipta supernatural.

Akan sulit untuk terlalu menekankan pentingnya kosmologis, filosofis, dan bahkan mungkin secara teologis untuk mengakui bahwa Bumi bukanlah pusat kosmos. Dalam pengertian ini, kosmologi adalah salah satu bidang paling awal yang menghasilkan bukti yang bertentangan dengan pandangan dunia keagamaan tradisional. Faktanya, setiap kemajuan dalam kosmologi tampaknya terbang dalam menghadapi asumsi paling berharga yang ingin kita buat tentang betapa spesialnya umat manusia sebagai spesies... setidaknya dalam hal sejarah kosmologis. Perikop ini dari Desain Grand oleh Stephen Hawking dan Leonard Mlodinow memaparkan transformasi dalam pemikiran yang datang dari kosmologi:

Model heliosentris Nicolaus Copernicus dari tata surya diakui sebagai demonstrasi ilmiah pertama yang meyakinkan bahwa kita manusia bukanlah titik fokus dari... Kami sekarang menyadari bahwa hasil Copernicus hanyalah salah satu dari serangkaian penurunan pangkat yang bersarang untuk menggulingkan asumsi-asumsi yang sudah lama dipegang mengenai status khusus kemanusiaan: kita tidak berada di pusat tata surya, kita tidak berlokasi di pusat galaksi, kita tidak terletak di pusat alam semesta, kita bahkan tidak terbuat dari bahan gelap yang merupakan mayoritas massa alam semesta. Penurunan kosmik seperti... mencontohkan apa yang oleh para ilmuwan disebut sebagai prinsip Copernicus: dalam skema besar segala sesuatu yang kita ketahui menunjuk pada manusia yang tidak menempati posisi istimewa.