Kosmologi

För andra betydelser, seKosmologi (olika betydelser).

Karta över fluktuationer i denkosmiska bakgrundsstrålningen,uppmätt avWMAP.

Kosmologiär detvetenskapligastudiet inomastronominochfysikenavuniversumsuppkomst och utveckling och dess storskaliga struktur. Denkosmologiska standardmodellenär den vedertagna beskrivningen avhur universum uppkom för omkring 13,8 miljarder år sedangenomBig Bang– en våldsam händelse dårummetochtidenuppkom och rummet började expandera från ett gemensamt hett tillstånd itermodynamisk jämvikt.

Kosmologin utgår från denkosmologiska principen,som säger att universum ser likadant ut för alla observatörer: universum ärisotropisktochhomogentpå stora avståndsskalor (miljontalsljusåreller mer). En stor mängd observationer tyder på att detta är riktigt. Den kosmologiska principen tillsammans medHubblesobservation att universum expanderar har lett till uppkomsten av Big Bang-teorin.

Standardmodell: Big Bang

De klassiska hörnstenarna i kosmologin äruniversums expansion,denkosmiska bakgrundsstrålningenoch syntesen av lättagrundämneni det tidiga universum, den så kalladenukleosyntesen.I den moderna kosmologin studerar man också uppkomsten avgalaxeroch storskaliga strukturer,anisotropieroch fluktuationer i den kosmiska bakgrundsstrålningen,mörk materia,mörk energiochinflation.

Kosmologi studeras experimentellt genom astronomiskaobservationeroch markbaserade ellersatellitbaserademätningar avstrålning.Den teoretiska beskrivningen är baserad på denallmänna relativitetsteorin,där man kan visa att den kosmologiska principen och ett expanderande universum leder till Big Bang-teorin och den kosmiska bakgrundsstrålningen. Fysikerna använder även många andra grenar av fysiken, sompartikelfysik,kärnfysik,statistisk fysikochkvantfältteori.

Några av de viktigaste experimentella observationerna är upptäckten av avlägsna galaxer liknande vår egen, Hubbles upptäckt av universums expansion,PenziasochWilsonsupptäckt av den kosmiska bakgrundsstrålningen och senare upptäckten av dess anisotropier avCOBE-satelliten, ochHubbleteleskopetsmätningar av galaxers hastigheter. På senare tid har mörk materia upptäckts,WMAP-satelliten har gjort mycket precisa mätningar av bakgrundsstrålningens fluktuationer och studier av avlägsnasupernovorhar lett till upptäckten av mörk energi – vakuumenergi eller enkosmologisk konstant.

Den moderna versionen av den kosmologiska standardmodellen kallas ocksåLambda-CDM-modellen,där Lambda betecknar denkosmologiska konstanten(mörk energi) och CDM står förCold Dark Matter(kall mörk materia). Enligt mätningarna består universum till 4 procent av vanlig materia, 23 procent mörk materia och 73 procent mörk energi, så vi känner bara till 4 % av universums beståndsdelar. Mätningarna har också avslöjat att universums expansion accelererar, och attuniversums geometriär flat (till skillnad från stängd eller öppen).

Fysikalisk kosmologi

Se vidare

• Astrofysik
• Big Bang
  • Inflation
  • Kosmisk bakgrundsstrålning
    • Siunjajev-Zeldovitj-effekten
  • Mörk materia
  • Mörk energi
• Universums framtid
• Kosmologins tidslinje
• Antropiska principen

Historiska teorier inom fysikalisk kosmologi

Innan denkosmiska bakgrundsstrålningenupptäcktes hade Big Bang-teorin sin största konkurrent i den så kalladeSteady state-teorin.Det har också tidigare funnits andra alternativa modeller. Allteftersom fler och exaktare kosmologiska observationer har gjorts har de äldre teorierna alla övergivits till förmån för Big Bang.

Bland historiska kosmologiska modeller kan nämnas

• Steady state-teorin,föreslagen avBondi,GoldochHoyle.Denna teori övergavs eftersom den inte kunde förklara denkosmiska bakgrundsstrålningenpå ett tillfredsställande sätt.
• Den kvasistationära tillståndsteorin (eng.Quasi Steady State) är en modifikation av den ursprungliga Steady state-teorin av Hoyle,BurbidgeochNarlikar
• Klein-Alfvéns kosmologi(kallas ocksåplasmakosmologi), är en alternativ teori utarbetad avHannes AlfvénochOskar Klein
• Trött ljus-teorin (eng.Tired light) är en alternativ teori som försöker förklararödförskjutningenhos avlägsna objekt med energiförlust hos ljuset istället för universums expansion.

Alternativa modeller

Det finns alternativa kosmologiska modeller till den kosmologiskastandardmodellen.Det rör sig å ena sidan om modeller som motsäger någon av de grundläggande aspekterna av standardmodellen:

• att universum expanderar,
• att universum uppstod i det förflutna från ett mycket hett och tätt tillstånd
• denkosmologiska principenatt universum är i stort sett homogent och isotropiskt
• denKopernikanska principenatt vi inte observerar universum från någon utvald plats,

och å andra sidan om alternativa modeller för olika delar av standardmodellen, till exempel alternativ tillmörk energieller modeller som kompletterar standardmodellen med en teori för vad som hände innan Big Bang (som dencykliska modellen). Ett exempel på en teori som ämnar ersätta behovet av mörk materia ärMOND,en alternativgravitationsteoriföreslagen avMordehai Milgromsom ersätter behovet av mörk materia med en modifierad gravitationslag på stora avstånd.

På grund av att det observationella stödet för standardmodellen är mycket starkt är intresset för dessa alternativa modeller i allmänhet inte stort bland kosmologer och astronomer.

Historisk bakgrund

Ordet "kosmologi" är relativt nytt (det användes först 1730 iChristian WolffsCosmologia Generalis), men studiet av universum har en lång historia ivetenskap,filosofi,esoterikochreligion.

Isaac Newtonantog att objekt hade en absoluthastighetoch att vissa objekt verkligen befann sig i vila medan andra verkligen var i rörelse. Han insåg att det inte finns något sätt att mäta dessa absoluta hastigheter. Newton trodde dock att hans teori var orimlig utan antagandet att det finns absoluta referenspunkter även om de inte kan fastställas. För rotationer anförde han den roterande vattenspannen som ett exempel på absolut rörelse. Om vi kan iaktta en konkav vattenyta är det möjligt att påstå att spannen roterar i en absolut mening.

På 1800-talet formuleradeJames Clerk Maxwellen uppsättning ekvationer –Maxwells fältekvationer– som visade att ljus beter sig som en elektromagnetisk våg som färdas med konstant hastighet genom rummet (som fortfarande kunde antas vara absolut, innehålla en "eter"som medium för ljusets utbredning). Detta tycktes innebära ett sätt att undvika problemen med Newtons relativitet. Genom att mätaljushastighetenför ljus utsänt från objekt i olika rörelsetillstånd skulle dessa objekts hastighet relativt det absoluta rummet kunna fastställas. Försök gjorda avMichelson och Morleymot slutet av 1800-talet gav dock det entydiga resultatet att ljusets hastighet var oberoende av dessa rörelsetillstånd.

Einstein kom på teoretisk väg fram till detta resultat, som han publicerade 1905 i sin uppsatsZur Elektrodynamik bewegter Körper(Omelektrodynamikenhos kroppar i rörelse).

Denspeciella relativitetsteorin(formulerad avAlbert Einstein1905) utgick frånpostulatetatt ljusets hastighet är densamma för alla observatörer. Den gjorde mekanikens ekvationer konsistenta med avseende på observationer gjorda av observatörer i likformig relativ rörelse, vilket krävde att avstånd och tid var variabla, var olika för olika observatörer. Det var därmed inte längre möjligt att betrakta rum och tid som åtskilda utan endast som delar av ett enhetligt fyrdimensionellt system, en "rumtid".

Speciella relativitetsteorinbehandlar system som befinner sig i likformig relativ rörelse. Enligt teorin finns det inget sätt att avgöra att något sådant system skulle ha en särställning. Det finns därför inte någon meningsfull tolkning av påståendet att ett system "är i vila". Det är detta förhållande som ordet relativitet syftar på. Det är inte möjligt att på ett fysikaliskt meningsfullt sätt tala om ett objektshastighetochaccelerationutan att först välja en referensram, definiera ettkoordinatsystemi rummet, som objektets rörelse relateras till.

Den allmänna relativitetsteorin kombinerar relativitet med ekvivalensprincipen, nämligen principen att man i ett lokalt system inte kan särskilja effekterna av gravitation och likformig acceleration. Detta leder till att rumtidens geometri beror på förekomsten av materia och energi: materia/energi ger upphov till en krökt rumtid. Partiklar som färdas fritt i denna krökta rumtid rör sig därmed under inflytande av gravitationen som inte längre kan anses vara en kraft utan är en egenskap hos rummet. Gravitationen är universell i den meningen att den påverkar alla kroppar på samma sätt, till skillnad från andra krafter som till exempel den elektromagnetiska kraften.

Referenser

• P. J. E. Peebles (1993).Principles of Physical Cosmology.Princeton: Princeton University Press.ISBN 0-691-01933-9
• J. A. Peacock (1998).Cosmological Physics.Cambridge University Press.ISBN 0-521-42270-1
• S. Dodelson (2003).Modern Cosmology(2nd ed). San Diego: Academic Press.ISBN 0-12-219141-2

Externa länkar

• Wikimedia Commons har media som rörKosmologi.
  Bilder & media
• Ned Wright:Cosmology tutorial and FAQ
• Sean Carroll:Cosmology Primer
• Medeltida Kosmologi (eng)