Kosmologija

Habl ekstrem dubokog polja (engl. Hubble Ultra-Deep Field, XDF) završeno je u septembru 2012. godine i prikazuje najudaljenije galaksije ikad fotografisane. Osim nekoliko zvezda u prvom planu (koje su svetle i lako prepoznatljive jer samo one imaju difrakcione šiljke), svaka trunčica svetlosti na fotografiji je pojedinačna galaksija, neke od njih stare i 13,2 milijarde godina; procenjuje se da svemir koji se može posmatrati sadrži više od 2 biliona galaksija.

Hablov snimak jedne od najmlađih galaksija

Kosmologija (grč. κοσμολογία; od grč. κόσμος — kosmos i grč. λογία — nauka) je naučno i filozofsko učenje o postanku i razvoju kosmosa koji se oblikovao iz početnog haosa u sređenu celinu.

Termin kosmologija prvi put je upotrebio Tomas Blount na engleskom jeziku 1656. godine u časopisu Glossographia, a 1731. godine, na latinskom jeziku, nemački filozof Kristijan Vulf, u časopisu Cosmologia Generalis. U prvoj polovini 20. veka, reč „kosmos”, odnosno „univerzum”, korišćena je za označavanje svega što čini prostor-vreme u kojem se nalazimo, kao i sve materije sa energijom u njoj. Kosmologija je nauka koja se razvila iz astronomije i fizike, sa ciljem proučavanja i razumevanja svemira. U drugoj polovini 20. veka, razvija se, i iz kosmologije izdvaja, osmatračka kosmologija, koja se naziva i fizičkom kosmologijom.

Fizička kosmologija je proučavanje porekla univerzuma koji se može posmatrati, njegovih velikih struktura i dinamike, i konačne sudbine univerzuma, uključujući zakone nauke koji upravljaju ovim oblastima. Istražuju ga naučnici, uključujući astronome i fizičare, kao i filozofe, kao što su metafizičari, filozofi fizike i filozofi prostora i vremena. Zbog ovog zajedničkog delokruga sa filozofijom, teorije u fizičkoj kosmologiji mogu uključivati naučne i nenaučne propozicije i mogu zavisiti od pretpostavki koje se ne mogu testirati. Fizička kosmologija je podgrana astronomije koja se bavi univerzumom u celini. Modernom fizičkom kosmologijom dominira teorija Velikog praska koja pokušava da spoji opservacionu astronomiju i fiziku čestica; tačnije, standardna parametrizacija Velikog praska sa tamnom materijom i tamnom energijom, poznata kao Lambda-CDM model.

Teorijski astrofizičar Dejvid N. Spergel opisao je kosmologiju kao „istorijsku nauku“ jer „kada gledamo u svemir, gledamo unazad u vreme“ zbog konačne prirode brzine svetlosti.

Discipline

Fizika i astrofizika su odigrale centralnu ulogu u oblikovanju našeg razumevanja univerzuma kroz naučna posmatranja i eksperimente. Fizička kosmologija je oblikovana kroz matematiku i posmatranje u analizi čitavog univerzuma. Generalno se smatra da je univerzum započeo Velikim praskom, nakon čega je skoro istog trenutka usledila kosmička inflacija, širenje svemira iz kojeg se smatra da je svemir nastao pre 13,799 ± 0,021 milijardi godina. Kosmogonija proučava nastanak univerzuma, a kosmografija mapira karakteristike univerzuma.

U Didroovoj Encyclopédie, kosmologija je podeljena na uranologiju (nauku o nebesima), aerologiju (nauku o vazduhu), geologiju (nauku o kontinentima) i hidrologiju (nauku o vodama).

Metafizička kosmologija je takođe opisana kao stavljanje ljudi u univerzum u odnosu na sve druge entitete. Ovo je ilustrovano zapažanjem Marka Aurelija da je mesto čoveka u tom odnosu: „Ko ne zna šta je svet, ne zna gde je, a ko ne zna zbog čega svet postoji, ne zna ko je on, niti šta je svet“.

Istorija kosmologije

Model geocentričnog sistema

Model heliocentričnog sistema: Hypothesis Copernicana.

Kretanje Sunca (žuto), Zemlje (plavo) i Marsa (crveno) prema heliocentričnog sistemu (levo) i geocentričnom sistemu (desno).
Napomena: putanje planeta su kružnice prema Kopernikovom sistemu i putanja Marsa je 2 godine (umesto stvarnih 1,88 godina) zbog jednostavnosti.

Amisadukina Venerina tablica iz vavilonskog carstva (7. vek pne).

Maglina Rak snimljena teleskopom Habl (ustupila NASA/ESA).

Njutnov zakon gravitacije: dva tela se privlače uzajamno silom koja je proporcionalna (u skladu) umnošku njihovih masa, a obrnuto proporcionalna kvadratu njihove međusobne udaljenosti.

Otklon zraka svetlosti u gravitacionom polju Sunca se meri pri pomrčenju Sunca, kad je glavnina snažne Sunčeve svetlosti zaklonjena. Prvi put je to merenje izvršeno 29. maja 1919, čime je bila potvrđena Ajnštajnova teorija relativnosti.

Crveni pomak (gore) i plavi pomak (dole).

Prema teoriji Velikog praska, svemir se širi iz tačke beskonačnog pritiska i gustine (singularnosti).

Mapa pozadinskog zračenja snimljena veštačkim satelitom COBE.

Gravitacijske leće (slika sa Svemirskog teleskopa Habl).

Gravitacioni talasi naizmenično sabijaju i rastežu prostor kroz koji prolaze.

Razdoblje 3500. p. n. e. - 650. p. n. e.

Vavilonci i stari Egipćani su verovali da život potiče od prvobitnog okeana. Prema Vaviloncima, Tiamat, prva žena i Apsu, bog podzemnog okeana, začeli su boga neba koji se zvao Anou. Egipćani su verovali da je prvobitni okean bio obitavalište prvog bića, Atuma, koji je kasnije nazvan bog Sunca (Ra).

(v. članak: Mitovi o stvaranju)

Razdoblje 650. p. n. e. - 1500.

Grčki su filozofi uveli revolucionarnu ideju da je svemir vođen zakonima koje je ljudski um u stanju shvati. Grčki astronom Tales iz Mileta (~625. p. n. e. - ~547. p. n. e.) je verovao da je voda primarni element svemira. Prema njemu, Zemlja, u obliku ravnog diska, pliva na prvobitnom okeanu. Anaksimandar (~610. p. n. e. - ~547. p. n. e.) je tvrdio da je svemir zasnovan na međudelovanju suprotnosti (toplo/hladno, svetlo/tamno...). Filozof Pitagora (~580. p. n. e. - ~500. p. n. e.) je verovao da je svemir vođen matematičkim zakonima s brojevima u osnovi svih pojava. Platon (~428. p. n. e. - ~348. p. n. e.) je postulirao sistem sveta s dve sfere, sa Zemljom u središtu. Eudoks (~400. p. n. e. - ~350. p. n. e.) je kasnije broj sfera povećao na 27, a Aristotel (~348. p. n. e. - ~322. p. n. e.) ga je nadopunio. Aristotelov sistem je bio prihvaćen sve do 16. veka. Oko 200. p. n. e. je Aristarh iz Samosa predložio teoriju po kojoj Zemlja kruži oko Sunca, a ne obratno, međutim trebalo je čak 2000 godina da bude ozbiljno shvaćena.

Godine 1054. kineski astronomi su zabeležili pojavu „nove zvezde” u sazvežđu Bika koja se kroz celi mesec mogla videti i po danu. Po njihovim vrlo preciznim kartama, astronomi novijeg doba su u maglini M1 (Mesje 1) prepoznali ostatke supernove koju su Kinezi promatrali. Zanimljivo je da su, osim Kineza, nastanak M1 zabeležili i mnogi drugi narodi (američki starosedeoci), ali niko iz „civilizovane” Evrope.

Razdoblje 1500. - 1899.

Godine 1543. poljski astronom Nikola Kopernik (1473 - 1543) izdaje svoju knjigu „O revoluciji nebeskih sfera”. Kopernik je izmenio geocentrični sistem u heliocentrični sistem: pomaknuo Zemlju iz središta svemira i tamo postavio Sunce. Zemlja je tada postala samo jedan od planeta koje obilaze Sunce. Kopernikove ideje se nisu uklapale u crkvene dogme, te su njegova dela izdana tek nakon njegove smrti.

Đordano Bruno izložio je kosmologiju (1584) u kojoj Sunčev sistem nije središte svemira, već relativno beznačajan sistem među beskonačnim mnoštvom drugih.

Danski astronom Tiho Brahe (1546. - 1601) je 1572. posmatrao u zvezdu Kasiopeje „novu zvezdu” koja je bila toliko sjajna da ju je bilo moguće videti po danu tokom celog jednog meseca. Pošto zvezda nije menjala svoj položaj prema ostalim zvezdama, Brahe je zaključio da se nalazi iza planetne sfere. Danas je poznato da je Brahe, kao i Kinezi 1054. godine, promatrao supernovu. Brahe je posmatrao i veliku kometu koja se pojavila 1577. godine. Pomoću paralakse je dokazao da se komete nalaze izvan atmosfere, te daleko iza Meseca.

Italijanski matematičar Galileo Galilej (1564 - 1642) je prvi negirao Aristotelovu tvrdnju da Zemljom i nebom vladaju različiti prirodni zakoni. Prema Galileju, svemir mora biti vođen čoveku dokučivim zakonima. Galileo je 1609. prvi iskoristio teleskop (izumljen za navigacijske svrhe) za posmatranje neba. Njegova najznačajnija otkrića su Jupiterovi sateliti (4 najveća, kasnije nazvani galilejanski), faze Venere, te mesečeve planine. Dokazao je da sva tela (ako ne postoji otpor vazduha) padaju jednakim ubrzanjem, bez obzira na težinu. Objavljivanja knjige u kojoj je podržao heliocentrični sistem imalo je za posledicu kućni pritvor, po naredbi crkve.

Nemački matematičar Johan Kepler (1571. - 1630) je iskoristio precizna Braheova merenja za odgonetanje putanja planeta. Prema Kepleru, planete se ne kreću po kružnicama, već po elipsama, sa Suncem u jednom od žarišta (fokusa) elipse. Kepler je, nadalje, otkrio da se planete brže kreću kada su na delu putanje bliže Suncu, te otkrio matematičku vezu perioda ophoda planete oko Sunca i njene prosečne udaljenosti od Sunca.

Engleski fizičar Isak Njutn (1642 - 1727) je uspeo da dokuči fizičke zakone koji drže planete u eliptičnim orbitama. Prema Njutnu, uzrokuje ih univerzalna sila gravitacije. Ova uvek privlačna sila je proporcionalna masi oba nebeska tija koje se privlače, te obrnuto proporcionalna kvadratu njihove međusobne udaljenosti. Njutn je zamišljao potpuno deterministički svemir, vođen zakonima fizike, u kojem je sve unapred određeno. Njutnovi zakoni kretanja (1687) omogućili su matematički opis kretanja i gravitacionog međudelovanja nebeskih tela.

Vilhelm Heršel je na temelju posmatranja i merenja izradio model Mlečne staze (1785) u obliku diska sa Suncem u središtu. Hajnrih Vilhelm Olbers je postavio Olbersov paradoks (1826) prema kojem bi, da je svemir beskonačan, noćno nebo bilo jednoliko sjajno.

Moderna kosmologija

Ajnštajnova teorija relativnosti

Glavni članak: Teorija relativnosti

Moderna kosmologija počinje 1915. sa Albertom Ajnštajnom (1879 - 1955) i njegovom specijalnom teorijom relativnosti u kojoj iznosi teoriju da ništa ne može putovati brže od svetlosti. Kasnije, u opštoj teoriji relativnosti, Ajnštajn postulira princip ekvivalencije između gravitacije i akceleracije te principe relativnosti - po kojima zakoni fizike ne zavise od posmatrača. Ajnštajnove matematičke jednačine objašnjavaju vezu između zakrivljenosti svemira i rasporeda mase u svemiru. Prema Ajnštajnu, masa i prostor su u međudelovanju: masa određuje zakrivljenost prostora, a zakrivljeni prostor određuje kako će se masa kretati. Nadalje, masa i energija su ekvivalentne: mogu se pretvarati jedna u drugu. Albert Ajnštajn je u specijalnoj teoriji relativnosti pretpostavio da prostor i vreme nisu odvojeni (1905), a u svojoj je kosmološkoj teoriji pretpostavio da je svemir statičan (1917).

Teorija relativnosti dobila je svoju prvu potvrdu 1919, kada je za vreme potpunog pomračenja Sunca izmereno skretanje zraka svetla jedne zvezde. Naime, zvezda je trebala biti iza Sunca, ali je ipak viđena izvan okvira Sunčevog diska. Doduše, valja napomenuti sledeće: ne mali je broj fizičara i astronoma koji negiraju da su eksperimenti izvedeni 1919. na bilo koji način izmerili defleksiju sunčanih zraka, nego se, po tim tvrdnjama, radi o grubim mernim pogreškama koje su neadekvatno interpretirane. Kao potkrepa takvih stavova navodi se činjenica da daljnji eksperimenti nisu uspeli da ponove taj ključni eksperiment.

Ajnštajn se prihvatio i izazova nastanka svemira. U svom kosmološkom modelu iz 1917. uvodi u gravitacijske jednačine hipotetsku odbojnu silu, uz koju se pojavljuje i pojam kosmološke konstante. Svrha ove odbojne sile je bila da poništi efekte privlačne gravitacijske sile, čime se stvaraju teoretske osnove za postojanje statičnog svemira, kakvim ga je Ajnštajn zamišljao.

Fridman i širenje svemira

Ruski fizičar i matematičar Aleksandr Aleksandrovič Fridman (1888 - 1925) je pretpostavio je da se svemir širi i izveo je rešenja za nestacionarni kosmološki model (1922). On je uspeo je pronađe rešenje Ajnštajnovih gravitacijskih jednačina bez uvođenja kosmološke konstante. Fridman je pokazao da svemir može biti u stanju širenja, što bi neutralizovalo sveprisutnu privlačnu gravitacijsku silu. Do sličnih je rešenja 1927. nezavisno došao i belgijski sveštenik i matematičar Žorž Lemetr (1894 - 1966). Ajnštajn je prevideo ovo rešenje jer nije mogao da prihvatiti ideju o svemiru koji se širi. Svemir bi se, zavisno od količine materije u svemiru, mogao nastaviti širiti u beskonačnost (otvoreni model svemira) ili se zaustaviti te početi skupljati (zatvoreni model svemira).

Vesto Melvin Slajfer je, posmatrajući pomak spektralnih linija u spektrima galaktika, otkrio (1912) da prevladava crveni pomak, to jest da se većina galaksija udaljava. Henrijeta Levit Svon otkrila je (1912) da sjajnije cefeide (pulsirajuće promenljive zvezde) imaju duži period promene sjaja, a to je omogućilo merenje velikih udaljenosti u svemiru.

Hablov zakon

Glavni članak: Hablov zakon

Edvin Habl (1888 - 1953), otkrio je 1929. proporcionalnost između udaljenosti pojedine galaksije i njenog crvenog pomaka. Ova pojava je nazvana Hableov zakon. Crveni pomak je protumačen kao Doplerov pomak usled udaljavanja galaksije. Jednačine za Doplerov efekt govore da su pomak talasne dužine prema crvenom i brzina udaljavanja proporcionalni (za brzine mnogo manje od brzine svetlosti). Zajedno s Hablovim zakonom dobija se proporcionalnost između udaljenosti galaksije i njene brzine udaljavanja: što je galaksija udaljenija, brže se udaljava od nas. Ovo, pak, navodi na zaključak da je svim galaksijama trebalo podjednako vremena za pomak od početne pozicije do današnjeg položaja.

Hublovo otkriće je donekle bilo potpomognuto radom holandskog astronoma Vilema de Sitera koji je 1917. predložio hipotezu po kojoj svemir poseduje svojstvo produživanja talasne dužine svetlosti koja putuje kroz njega. Hablov zakon je uverljiv dokaz širenja svemira kakav je predložen u Fridman-Lemetrovom modelu.

Ajnštajn i de Siter su 1931. izneli hipotezu (Ajnštajn-de Siterov model) po kojoj svemir ima tačno kritičnu gustinu. Takav bi svemir bio beskonačan, s Euklidskom geometrijom to jest „ravan”, za razliku od „otvorenog” i „zatvorenog” iz Fridman-Lemetrovih modela.

Teorija stalnog stanja

Tri engleska fizičara - Fred Hojl, Herman Bondi i Tomas Gold - 1946. godine predlažu novu teoriju: teoriju stalnog stanja. Po ovoj se teoriji svemir stalno širi, a nova materija spontano nastaje u prazninama. Novonastala materija se akumulira i tvori nove zvezde. Po ovoj teoriji, daleke i bliske galaksije bi trebale da izgledaju statistički jednako. Teorija Velikog praska tvrdi suprotno: daleke galaksije bi trebale da izgledaju u proseku mlađe, jer se, zbog kašnjenja koje je posledica konačne brzine svetlosti, vide kako su izgledale u ranijim stadijima svemira. Po teoriji Velikog praska, daleke galaksije bi trebale da imaju više gasa te više masivnih kratkoživećih zvezda. Eksperimentalna provera postala je moguća tek nekoliko decenija kasnije, s razvojem dovoljno osetljivih senzora.

Džordž Gamov o ranom svemiru

Džordž Gamov je pokušao da objasni raspodelu (distribuciju) hemijskih elemenata u svemiru kroz spontane termonuklearne reakcije. On je izneo hipotezu po kojoj se svemir u svojim najranijim počecima sastojao o prvobitne materije nazvane ilem. Gamov je ilem zamislio kao neutronski plin vrlo visoke temperature (iznad 10 milijardi stupnjeva K). Pošto su neutroni bili u „slobodnom” stanju, počeli su se raspadati u protone, elektrone i neutrine. Nastalo je ključajuće more neutrona i protona od kojih su se neki udružili u teže elemente. Po Gamovu, svi elementi u svemiru su nastali na ovaj način i to u prvih 20 minuta nakon Velikog praska. Ovu je teoriju, zajedno s Ralfom Alferom, Gamov iznio 1948. Model Velikog praska, čija prva formulacija potiče od Džordža Gamova iz 1948, danas je u naučnom svetu opšteprihvaćena slika postanka svemira.

U svom sledećem radu, Gamov i Alfer predviđaju postojanje pozadinskog zračenja, koje je detektovano tek nekoliko decenija kasnije.

Literatura

• Bragg, Melvyn (2023). „The Universe's Shape”. bbc.co.uk. BBC. Pristupljeno 23. 5. 2023. „Melvyn Bragg discusses shape, size and topology of the universe and examines theories about its expansion. If it is already infinite, how can it be getting any bigger? And is there really only one?” CS1 održavanje: Format datuma (veza)
• „Cosmic Journey: A History of Scientific Cosmology”. history.aip.org. American Institute of Physics. 2023. Pristupljeno 23. 5. 2023. „The history of cosmology is a grand story of discovery, from ancient Greek astronomy to -space telescopes.” CS1 održavanje: Format datuma (veza)
• Dodelson, Scott; Schmidt, Fabian (2020). Modern Cosmology 2nd Edition. Academic Press. ISBN 978-0128159484.  Download full text: Dodelson, Scott; Schmidt, Fabian (2020). „Scott Dodelson - Fabian Schmidt - Modern Cosmology (2021) PDF” (PDF). scribd.com. Academic Press. Pristupljeno 23. 5. 2023. CS1 održavanje: Format datuma (veza)
• „Genesis, Search for Origins. End of mission wrap up.”. genesismission.jpl.nasa.gov. NASA, Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology. Pristupljeno 23. 5. 2023. „About 4.6 billion years ago, the solar nebula transformed into the present solar system. In order to chemically model the processes which drove that transformation, we would, ideally, like to have a sample of that original nebula to use as a baseline from which we can track changes.” CS1 održavanje: Format datuma (veza)
• Leonard, Scott A; McClure, Michael (2004). Myth and Knowing. McGraw-Hill. ISBN 978-0-7674-1957-4. 
• Lyth, David (12. 12. 1993). „Introduction to Cosmology”. arXiv:astro-ph/9312022 . „These notes form an introduction to cosmology with special emphasis on large scale structure, the cmb anisotropy and inflation.” CS1 održavanje: Format datuma (veza) Lectures given at the Summer School in High Energy Physics and Cosmology, ICTP (Trieste) 1993.) 60 pages, plus 5 Figures.
• „NASA/IPAC Extragalactic Database (NED)”. ned.ipac.caltech.edu. NASA. 2023. Pristupljeno 23. 5. 2023. „April 2023 Release Highlights Database Updates” CS1 održavanje: Format datuma (veza)
  • „NASA/IPAC Extragalactic Database (NED)”. ned.ipac.caltech.edu. NASA. 2020. Pristupljeno 23. 5. 2023. „NED-D: A Master List of Redshift-Independent Extragalactic Distances” CS1 održavanje: Format datuma (veza)
• Sophia Centre. The Sophia Centre for the Study of Cosmology in Culture, University of Wales Trinity Saint David.

Spoljašnje veze

Mediji vezani za članak Kosmologija na Vikimedijinoj ostavi

• NASA/IPAC Extragalactic Database (NED) (NED-Distances)
• Cosmic Journey: A History of Scientific Cosmology Архивирано на сајту Wayback Machine (21. октобар 2008) from the American Institute of Physics
• „Introduction to Cosmology”. arXiv:abs/astro-ph/9312022  .  David Lyth's lectures from the ICTP Summer School in High Energy Physics and Cosmology
• The Sophia Centre The Sophia Centre for the Study of Cosmology in Culture, University of Wales Trinity Saint David
• Genesis cosmic chemistry module
• "The Universe's Shape", BBC Radio 4 discussion with Sir Martin Rees, Julian Barbour and Janna Levin (In Our Time, 7 February 2002)