Heelal

Die woord heelal is afgelei van die Oud-Franse woord univers , wat weer afgelei is van die Latynse woord universum . ^[32] Die Latynse woord is deur Cicero en latere Latynse outeurs in baie dieselfde opsigte gebruik as wat die moderne Engelse woord gebruik word. ^[33]

Sinonieme

'N term vir "heelal" onder die ou Griekse filosowe van Pythagoras en verder was τὸ πᾶν , om pan ( "die hele"), gedefinieer as alle materie en alle ruimte, en τὸ ὅλον , om Holon ( "alles"), wat gedoen nie noodwendig die leemte insluit nie. ^{[34] [35] '} n Ander sinoniem was ὁ κόσμος , ho kósmos (wat die wêreld , die kosmos beteken ). ^[36] Sinonieme kom ook voor in Latynse outeurs ( totum , mundus , natura ) ^[37] en oorleef in moderne tale, byvoorbeeld die Duitse woorde Das All , Weltall en Natur for universe . Dieselfde sinonieme word in Engels aangetref, soos alles (soos in die teorie van alles ), die kosmos (soos in die kosmologie ), die wêreld (soos in die interpretasie van baie wêrelde ) en die natuur (soos in natuurwette of natuurfilosofie ). ^[38]

Die heersende model vir die evolusie van die heelal is die Big Bang-teorie. ^{[39] [40]} Volgens die oerknal-model was die vroegste toestand van die heelal uiters warm en dig, en dat die heelal daarna uitgebrei en afgekoel het. Die model is gebaseer op algemene relatiwiteit en op die vereenvoudiging van aannames soos homogeniteit en isotropie van die ruimte. 'N Weergawe van die model met 'n kosmologiese konstante (Lambda) en koue donker materie , bekend as die Lambda-CDM-model , is die eenvoudigste model wat 'n redelike goeie weergawe gee van verskillende waarnemings oor die heelal. Die oerknal-model neem waarnemings in, soos die korrelasie van afstand en rooi verskuiwing van sterrestelsels, die verhouding tussen die hoeveelheid waterstof en heliumatome en die mikrogolfstralingsagtergrond.

In hierdie diagram gaan die tyd van links na regs oor, dus word die heelal op enige gegewe tydstip voorgestel deur 'n skyfvormige 'sny' van die diagram

Die aanvanklike warm, digte toestand word die Planck-tydvak genoem , 'n kort periode wat strek van tyd nul tot een Planck- tydseenheid van ongeveer 10 ⁻⁴³ sekondes. Gedurende die Planck-tydperk is alle soorte materie en alle soorte energie in 'n digte toestand gekonsentreer, en die swaartekrag - tans die swakste by verre van die vier bekende kragte - was glo so sterk soos die ander fundamentele kragte, en almal die magte is moontlik verenig . Sedert die Planck-tydperk het die ruimte uitgebrei tot op die huidige skaal, met 'n baie kort, maar intense periode van kosmiese inflasie wat binne die eerste 10 −32 sekondes plaasgevind het. ^[41] Dit was 'n soort uitbreiding wat verskil van dié wat ons vandag rondom ons kan sien. Voorwerpe in die ruimte het nie fisies beweeg nie; in plaas daarvan het die maatstaf wat ruimte definieer, verander. Hoewel voorwerpe in ruimtetyd nie vinniger as die kan beweeg spoed van lig , het hierdie beperking nie van toepassing op die metrieke beheerliggaam ruimtetyd self. Hierdie aanvanklike periode van inflasie verklaar glo dat die ruimte baie plat lyk en baie groter is as wat die lig sedert die begin van die heelal sou kon beweeg. ^{[ opheldering nodig ]}

Binne die eerste fraksie van 'n sekonde van die bestaan ​​van die heelal het die vier fundamentele kragte geskei. Terwyl die heelal steeds afgekoel het van sy onvoorstelbare warm toestand, kon verskillende soorte subatomiese deeltjies in kort tydperke vorm, bekend as die kwarktydperk , die hadron-tydvak en die lepton-tydperk . Saam het hierdie tydperke na die oerknal minder as tien sekondes beslaan. Hierdie elementêre deeltjies het stabiel geassosieer met steeds groter kombinasies, insluitend stabiele protone en neutrone , wat dan deur middel van kernfusie meer komplekse atoomkerne gevorm het . Hierdie proses, wat bekend staan ​​as die oerknal-nukleosintese , het net ongeveer 17 minute geduur en ongeveer 20 minute na die oerknal geëindig. Dit was dus net die vinnigste en eenvoudigste reaksies. Ongeveer 25% van die protone en al die neutrone in die heelal, volgens massa, is in helium omgeskakel , met klein hoeveelhede deuterium ('n vorm van waterstof ) en spore van litium . Enige ander element is slegs in baie klein hoeveelhede gevorm. Die ander 75% van die protone het nie waterstofkerne beïnvloed nie .

Nadat die nukleosintese geëindig het, betree die heelal 'n periode wat bekend staan ​​as die foton-era . Gedurende hierdie tydperk was die heelal nog te warm vir materie om neutrale atome te vorm , dus bevat dit 'n warm, digte, mistige plasma van negatief gelaaide elektrone , neutrale neutrino's en positiewe kerne. Na ongeveer 377 000 jaar het die heelal genoeg afgekoel dat elektrone en kerne die eerste stabiele atome kon vorm . Dit staan ​​bekend as rekombinasie om historiese redes; trouens, elektrone en kerne het vir die eerste keer gekombineer. Anders as plasma, is neutrale atome deursigtig vir baie golflengtes van lig, dus het die heelal vir die eerste keer ook deursigtig geword. Die fotone wat vrygestel is (" ontkoppel ") toe hierdie atome gevorm is, kan vandag nog gesien word; hulle vorm die kosmiese mikrogolfagtergrond (CMB).

Namate die heelal uitbrei, neem die energiedigtheid van elektromagnetiese straling vinniger af as die van materie, omdat die energie van 'n foton met sy golflengte afneem. Ongeveer 47 000 jaar het die energiedigtheid van materie groter geword as dié van fotone en neutrino's , en het die grootskaalse gedrag van die heelal begin oorheers. Dit was die einde van die era wat deur die bestraling gedomineer is en die begin van die era wat deur materie gedomineer is .

In die vroegste stadiums van die heelal het klein skommelinge binne die digtheid van die heelal daartoe gelei dat konsentrasies van donker materie geleidelik gevorm het. Gewone materie, wat deur swaartekrag hierdeur aangetrek word , het groot gaswolke gevorm en uiteindelik sterre en sterrestelsels, waar die donker materie die digste was, en leemtes waar dit die minste dig was. Na ongeveer 100-300.000.000 jaar, ^{[ verwysing benodig ]} die eerste sterre gevorm, bekend as Bevolking III sterre. Dit was waarskynlik baie massief, helder, nie metaalagtig en van korte duur nie. Hulle was verantwoordelik vir die geleidelike reïonisering van die heelal tussen ongeveer 200-500 miljoen jaar en 1 miljard jaar, en ook vir die saai van die heelal met elemente wat swaarder was as helium, deur sterre nukleosintese . ^[42] Die heelal bevat ook 'n geheimsinnige energie - moontlik 'n skalêre veld - genoem donker energie , waarvan die digtheid nie mettertyd verander nie. Na ongeveer 9,8 miljard jaar het die heelal voldoende uitgebrei sodat die digtheid van materie minder was as die digtheid van donker energie, wat die begin was van die huidige donker-energie-gedomineerde era . ^[43] In hierdie era versnel die uitbreiding van die heelal as gevolg van donker energie.

Van die vier fundamentele interaksies is gravitasie die oorheersende op astronomiese lengte-skale. Die uitwerking van swaartekrag is kumulatief; daarenteen is die gevolge van positiewe en negatiewe ladings geneig om mekaar te kanselleer, wat elektromagnetisme relatief onbeduidend op astronomiese lengte-skale maak. Die oorblywende twee interaksies, die swak en sterk kernkragte , neem vinnig af met afstand; hul effekte is hoofsaaklik beperk tot sub-atoomlengteskaale.

Dit lyk asof die heelal veel meer materie het as antimaterie , 'n asimmetrie wat moontlik verband hou met die CP-oortreding . ^[44] Hierdie wanbalans tussen materie en antimaterie is gedeeltelik verantwoordelik vir die bestaan van alle materie bestaande vandag, aangesien saak en antimaterie, as ewe geproduseer by die Oerknal , sou heeltemal mekaar vernietig en links net fotone as gevolg van hul interaksie . ^{[45] [46]} Die heelal blyk ook nie netto momentum of hoekmomentum te hê nie , wat aanvaarde fisiese wette volg as die heelal eindig is. Hierdie wette is die wet van Gauss en die nie-divergensie van die spanning-energie-momentum-pseudotensor . ^[47]

Samestellende ruimtelike skale van die waarneembare heelal
Hierdie diagram toon die ligging van die aarde in die heelal op toenemend groter skale. Die beelde, gemerk langs hul linkerrand, neem toe van links na regs, dan van bo na onder.

Grootte en streke

Televisie-seine wat vanaf die aarde uitgesaai word, sal nooit die rante van hierdie beeld bereik nie.

Volgens die algemene relatiwiteitsteorie, sal verre streke van die ruimte nooit met ons s'n interaksie hê nie, selfs gedurende die leeftyd van die heelal, as gevolg van die eindige spoed van lig en die voortdurende uitbreiding van die ruimte . Radioboodskappe wat van die aarde af gestuur word , kan byvoorbeeld nooit in sommige streke van die ruimte kom nie, selfs al sou die heelal vir ewig bestaan: die ruimte kan vinniger uitbrei as wat die lig dit kan deurkruis. ^[48]

Die ruimtelike streek wat met teleskope waargeneem kan word, word die waarneembare heelal genoem , wat afhang van die ligging van die waarnemer. Die regte afstand - die afstand soos op 'n spesifieke tydstip, met inbegrip van die hede, sou gemeet word tussen die aarde en die rand van die waarneembare heelal is 46 miljard ligjaar ^[49] (14 miljard parsek), ^[50] wat die deursnee van die waarneembare heelal ongeveer 93 miljard ligjare (28 miljard parsek). ^[49] Die afstand wat die lig vanaf die rand van die waarneembare heelal afgelê het, is baie naby aan die ouderdom van die heelal, maal die snelheid van die lig, 13,8 miljard ligjare (4,2 × 10^⁹  st), maar dit stel nie die afstand op enige gegewe tyd voor nie omdat die rand van die waarneembare heelal en die aarde sedertdien verder van mekaar af beweeg het. ^[51] Ter vergelyking is die deursnee van 'n tipiese sterrestelsel 30 000 ligjaar (9198 parsek ), en die tipiese afstand tussen twee aangrensende sterrestelsels is 3 miljoen ligjaar (919,8 kiloparsek). ^[52] As voorbeeld is die Melkweg ongeveer 100.000–180.000 ligjaar in deursnee, ^{[53] [54]} en die naaste susterstelsel aan die Melkweg, die Andromedastelsel , is ongeveer 2,5 miljoen ligjare weg . ^[55]

Omdat ons nie ruimte buite die rand van die waarneembare heelal kan waarneem nie, is dit onbekend of die grootte van die heelal in sy geheel eindig of oneindig is. ^{[3] [56] [57]} Skattings dui daarop dat die hele heelal, indien dit eindig, meer as 250 keer groter moet wees as die waarneembare heelal. ^[58] Sommige betwiste ^[59] ramings vir die totale grootte van die heelal, as dit eindig, bereik so hoog as${\ displaystyle 10 ^ {10 ^ {10 ^ {122}}}}$megaparsek, soos geïmpliseer deur 'n voorgestelde resolusie van die No-Boundary Proposal. ^{[60] [b]}

Ouderdom en uitbreiding

Sterrekundiges bereken die ouderdom van die heelal deur aan te neem dat die Lambda-CDM-model die evolusie van die heelal akkuraat beskryf van 'n baie eenvormige, warm, digte oertoestand tot sy huidige toestand, en meet die kosmologiese parameters wat die model uitmaak. ^{[ aanhaling ]} Hierdie model word teoreties goed verstaan ​​en ondersteun deur onlangse astronomiese waarnemings met hoë presisie soos WMAP en Planck . ^{[ aanhaling benodig ]} Die versameling waarnemings bevat gewoonlik die kosmiese mikrogolf- anisotropie- agtergrond , die helderheids- / rooiverskuiwingsverhouding vir tipe Ia-supernovas , en grootskaalse sterrestelselsamestelling, insluitend die akoestiese oscillasie- funksie van die baryon . ^{[ aanhaling nodig ]} Ander waarnemings, soos die Hubble-konstante, die oorvloed sterrestelsels, swak swaartekraglensing en bolvormige trosse-ouderdomme, stem gewoonlik hiermee ooreen, wat 'n toets van die model bied, maar word tans minder akkuraat gemeet. ^{[ aanhaling ]} As ons aanneem dat die Lambda-CDM-model korrek is, lewer die meting van die parameters met behulp van 'n verskeidenheid tegnieke deur talle eksperimente die beste waarde van die ouderdom van die heelal vanaf 2015 van 13.799 ± 0,021 miljard jaar. ^[2]

Sterrekundiges het sterre in die Melkwegstelsel ontdek wat amper 13,6 miljard jaar oud is.

Met verloop van tyd het die heelal en die inhoud daarvan ontwikkel; die relatiewe bevolking van kwasars en sterrestelsels het byvoorbeeld verander ^[61] en die ruimte self het uitgebrei . As gevolg van hierdie uitbreiding kan wetenskaplikes op Aarde die lig waarneem van 'n sterrestelsel van 30 miljard ligjare weg, al het die lig net 13 miljard jaar gereis; die ruimte tussen hulle het uitgebrei. Hierdie uitbreiding stem ooreen met die waarneming dat die lig van verafgeleë sterrestelsels rooi verskuif is ; die vrygestelde fotone is gedurende hul reis tot langer golflengtes en laer frekwensie gerek . Analises van tipe Ia-supernovas dui aan dat die ruimtelike uitbreiding versnel . ^{[62] [63]}

Hoe meer materie daar in die heelal is, hoe sterker is die onderlinge swaartekrag van die saak. As die heelal te dig sou wees, sou dit weer ineenstort in 'n gravitasie-enkelvoud . As die heelal egter te min materie bevat, sou die swaartekrag te swak wees om astronomiese strukture, soos sterrestelsels of planete, te vorm. Sedert die oerknal het die heelal eentonig uitgebrei . Miskien is dit nie verrassend nie dat ons heelal net die regte massa-energiedigtheid het , gelykstaande aan ongeveer 5 protone per kubieke meter, wat dit die afgelope 13,8 miljard jaar laat uitbrei het, wat tyd gee om die heelal te vorm soos vandag waargeneem. ^[64]

Daar is dinamiese kragte wat op die deeltjies in die heelal inwerk wat die uitbreidingstempo beïnvloed. Voor 1998 is verwag dat die uitbreidingsnelheid sal afneem namate die tyd aanstap as gevolg van die invloed van gravitasie-interaksies in die heelal; en dus is daar 'n ekstra waarneembare hoeveelheid in die heelal wat die vertragingsparameter genoem word , wat die meeste kosmoloë verwag het om positief te wees en verband hou met die materiaaldigtheid van die heelal. In 1998 is die vertraagingsparameter deur twee verskillende groepe negatief gemeet, ongeveer -0,55, wat tegnies impliseer dat die tweede afgeleide van die kosmiese skaalfaktor ${\ displaystyle {\ ddot {a}}}$was die afgelope 5-6 miljard jaar positief. ^{[16] [65]} Hierdie versnelling impliseer egter nie dat die Hubble-parameter tans toeneem nie; sien vertraagingsparameter vir besonderhede.

Ruimtetyd

Ruimtetye is die arenas waarin alle fisiese gebeure plaasvind. Die basiese elemente van ruimtetye is gebeure . In enige gegewe ruimtetyd word 'n gebeurtenis gedefinieer as 'n unieke posisie op 'n unieke tyd. 'N Ruimtetyd is die vereniging van alle gebeure (op dieselfde manier as wat 'n lyn die vereniging van al sy punte is), formeel georganiseer in 'n veelvoud . ^[66]

Gebeurtenisse, soos materie en energie, buig die ruimtetyd. Geboë ruimtetyd, daarenteen, dwing materie en energie om op 'n sekere manier op te tree. Dit het geen sin om die een sonder die ander te oorweeg nie. ^[15]

Die heelal blyk 'n gladde ruimtetydkontinuum te wees wat bestaan ​​uit drie ruimtelike dimensies en een temporale ( tyd ) dimensie ('n gebeurtenis in die ruimtetyd van die fisiese heelal kan dus geïdentifiseer word deur 'n stel van vier koördinate: ( x , y , z , t ) ). Gemiddeld word gesien dat ruimte baie amper plat is (met 'n kromming naby aan nul), wat beteken dat die Euklidiese meetkunde empiries waar is met 'n hoë akkuraatheid in die grootste deel van die heelal. ^[67] Ruimtetyd blyk ook 'n eenvoudig gekoppelde topologie te hê , in analogie met 'n sfeer, ten minste op die lengte-skaal van die waarneembare heelal. Huidige waarnemings kan egter nie die moontlikhede uitsluit dat die heelal meer dimensies het nie (wat deur teorieë soos die stringteorie gepostuleer word ) en dat die ruimtetyd 'n veelvoudige wêreldwye topologie kan hê, in analogie met die silindriese of toroidale topologieë van tweedimensionele ruimtes . ^{[68] [69]} Die ruimtetyd van die heelal word gewoonlik vanuit 'n Euklidiese perspektief geïnterpreteer , met ruimte as bestaande uit drie dimensies , en die tyd bestaan ​​uit een dimensie , die " vierde dimensie ". ^[70] Deur ruimte en tyd te kombineer in 'n enkele spruitstuk genaamd Minkowski-ruimte , het natuurkundiges 'n groot aantal fisiese teorieë vereenvoudig , en op 'n meer eenvormige manier die werking van die heelal op beide supergalaktiese en subatomiese vlakke beskryf.

Ruimtetyd gebeure is nie absoluut ruimtelik en tydelik gedefinieerde maar eerder bekend is met betrekking tot die beweging van 'n te wees waarnemer . Minkowski-ruimte benader die heelal sonder swaartekrag ; die pseudo-Riemanniese manifolds van algemene relatiwiteit beskryf ruimtetyd met materie en swaartekrag.

Vorm

Die drie moontlike opsies vir die vorm van die heelal

Algemene relatiwiteit beskryf hoe ruimtetyd gebuig en gebuig word deur massa en energie (swaartekrag). Die topologie of meetkunde van die heelal bevat sowel plaaslike meetkunde in die waarneembare heelal as globale meetkunde . Kosmoloë werk dikwels met 'n gegewe ruimte-agtige snytjie ruimtetyd, die genoemde koördinate . Die gedeelte van die ruimtetyd wat waargeneem kan word, is die agterste ligkegel , wat die kosmologiese horison afgrens . Die kosmologiese horison (ook die deeltjiehorison of die lighorison genoem) is die maksimum afstand vanwaar deeltjies na die waarnemer in die era van die heelal kon gereis het . Hierdie horison verteenwoordig die grens tussen die waarneembare en die onwaarneembare streke van die heelal. ^{[71] [72]} Die bestaan, eienskappe en betekenis van 'n kosmologiese horison hang af van die bepaalde kosmologiese model .

'N Belangrike parameter wat die toekomstige evolusie van die heelal-teorie bepaal, is die digtheidsparameter , Omega (Ω), gedefinieer as die gemiddelde materiaaldigtheid van die heelal gedeel deur 'n kritieke waarde van daardie digtheid. Dit kies een van drie moontlike meetkundes, afhangend van of Ω gelyk is aan, minder as of groter is as 1. Dit word onderskeidelik die plat, oop en geslote heelal genoem. ^[73]

Waarnemings, insluitend die Cosmic Background Explorer (COBE), Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) en Planck- kaarte van die CMB, dui daarop dat die heelal oneindig groot is met 'n eindige ouderdom, soos beskryf deur die Friedmann – Lemaître – Robertson – Walker (FLRW) -modelle. ^{[74] [68] [75] [76]} Hierdie FLRW-modelle ondersteun dus inflasionêre modelle en die standaardmodel van kosmologie, wat 'n plat , homogene heelal beskryf wat tans oorheers word deur donker materie en donker energie . ^{[77] [78]}

Ondersteuning van die lewe

Die heelal kan wel aangepas wees ; die fyn ingestelde heelalhipotese is die stelling dat die toestande wat die bestaan ​​van waarneembare lewe in die heelal toelaat, slegs kan voorkom wanneer sekere universele fundamentele fisiese konstantes binne 'n baie nou reeks waardes lê, sodat indien enige van verskeie fundamentele konstantes slegs effens anders, sou die heelal waarskynlik nie bevorderlik wees vir die vestiging en ontwikkeling van materie , astronomiese strukture, elementêre diversiteit of lewe soos dit verstaan ​​word nie. ^[79] Die stelling word bespreek onder filosowe , wetenskaplikes , teoloë en voorstanders van kreasionisme .

Die heelal bestaan ​​feitlik volledig uit donker energie, donker materie en gewone materie . Ander inhoud is elektromagnetiese bestraling (geskat op 0,005% tot byna 0,01% van die totale massa-energie van die heelal) en antimaterie . ^{[80] [81] [82]}

Die verhoudings van alle soorte materie en energie het verander in die geskiedenis van die heelal. ^[83] Die totale hoeveelheid elektromagnetiese straling wat in die heelal gegenereer is, het die afgelope 2 miljard jaar met 1/2 afgeneem. ^{[84] [85]} Vandag beslaan gewone materie, wat atome, sterre, sterrestelsels en lewe insluit , slegs 4,9% van die inhoud van die heelal. ^[8] Die huidige totale digtheid van hierdie soort materie is baie laag, ongeveer 4,5 × 10 ⁻³¹ gram per kubieke sentimeter, wat ooreenstem met 'n digtheid in die orde van slegs een proton vir elke vier kubieke meter volume. ^[6] Die aard van beide donker energie en donker materie is onbekend. Donker materie, 'n geheimsinnige vorm van materie wat nog nie geïdentifiseer is nie, beslaan 26,8% van die kosmiese inhoud. Donker energie, wat die energie van die leë ruimte is en wat die uitbreiding van die heelal laat versnel, beslaan die oorblywende 68,3% van die inhoud. ^{[8] [86] [87]}

Die vorming van trosse en grootskaalse filamente in die koue donker materie- model met donker energie . Die rame toon die evolusie van strukture in 'n 43 miljoen parsec (of 140 miljoen ligjaar) vak van rooi verskuiwing van 30 na die huidige tydvak (links bo z = 30 na regs onder z = 0).

'N Kaart van die superklusters en leemtes wat die naaste aan die aarde is

Materie, donker materie en donker energie word homogeen oor die heelal versprei oor lengte skale van langer as 300 miljoen ligjare. ^[88] Oor korter lengte-skale is materie egter geneig om hiërargies te klomp; baie atome word in sterre gekondenseer , die meeste sterre in sterrestelsels, die meeste sterrestelsels in trosse, superklusters en uiteindelik grootskaalse galaktiese filamente . Die waarneembare heelal bevat soveel as 200 miljard sterrestelsels ^{[89] [90]} en in totaal soveel as 'n geskatte1 × 10 ²⁴ sterre ^{[91] [92]} (meer sterre as al die sandkorrels op die planeet Aarde ). ^[93] Tipiese sterrestelsels wissel van dwerge met net tien miljoen ^[94] (10 ⁷ ) sterre tot reuse met een triljoen ^[95] (10 ¹² ) sterre. Tussen die groter strukture is daar leemtes , wat gewoonlik 10-150 Mpc (33 miljoen – 490 miljoen ly) in deursnee is. Die Melkweg is in die plaaslike groep sterrestelsels, wat weer in die Laniakea Supercluster is . ^[96] Hierdie superkluster strek oor meer as 500 miljoen ligjare, terwyl die Local Group oor 10 miljoen ligjare strek. ^[97] Die heelal het ook uitgestrekte streke van relatiewe leegheid; die grootste leemte is ongeveer 1,8 miljard ly (550 Mpc) oor. ^[98]

Vergelyking van die inhoud van die heelal vandag tot 380 000 jaar na die oerknal, gemeet aan 5 jaar WMAP-data (vanaf 2008). ^[99] (As gevolg van afrondingsfoute is die som van hierdie getalle nie 100% nie). Dit weerspieël die 2008-perke van WMAP se vermoë om donker materie en donker energie te definieer.

Die waarneembare heelal is op skale isotropies aansienlik groter as superklusters, wat beteken dat die statistiese eienskappe van die heelal in alle rigtings dieselfde is as wat dit vanaf die aarde waargeneem word. Die heelal is gebaai in hoogs isotropies mikrogolf bestraling wat ooreenstem met 'n termiese ewewig swartstraler spektrum van ongeveer 2,72548 kelvin . ^[7] Die hipotese dat die grootskaalse heelal homogeen en isotroop is, staan ​​as die kosmologiese beginsel bekend . ^{[100] '} n Heelal wat sowel homogeen as isotroop is, lyk van alle uitkykpunte ^{[101] dieselfde} en het geen middelpunt nie. ^[102]

Donker energie

'N Verduideliking waarom die uitbreiding van die heelal versnel, bly ontwykend. Dit word dikwels toegeskryf aan 'donker energie', 'n onbekende vorm van energie wat veronderstel is om die ruimte deur te dring. ^[103] Op basis van massa-energie-ekwivalensie is die digtheid van donker energie (~ 7 × 10 ⁻³⁰ g / cm ³ ) baie minder as die digtheid van gewone materie of donker materie in sterrestelsels. In die huidige donker-energie-era oorheers dit egter die massa-energie van die heelal omdat dit uniform in die ruimte is. ^{[104] [105]}

Twee voorgestelde vorms vir donker energie is die kosmologiese konstante , 'n konstante energiedigtheid wat homogeen ruimte vul, ^[106] en skalêre velde soos kwintessensie of moduli , dinamiese hoeveelhede waarvan die energiedigtheid in tyd en ruimte kan wissel. Bydraes van skalaarvelde wat konstant in die ruimte is, word gewoonlik ook by die kosmologiese konstante ingesluit. Die kosmologiese konstante kan geformuleer word om gelyk te wees aan vakuumenergie . Skaalvelde met slegs 'n geringe ruimtelike onhomogeniteit sou moeilik wees om van 'n kosmologiese konstante te onderskei.

Donker materie

Donker materie is 'n hipotetiese soort materie wat onsigbaar is vir die hele elektromagnetiese spektrum , maar wat die grootste deel van die materie in die heelal uitmaak. Die bestaan ​​en eienskappe van donker materie word afgelei uit die swaartekrag-effekte daarvan op sigbare materie, bestraling en die grootskaalse struktuur van die heelal. Anders as neutrino's , 'n vorm van warm donker materie , is donker materie nie direk opgespoor nie, wat dit een van die grootste raaisels in die moderne astrofisika maak . Donker materie straal of absorbeer nie lig of enige ander elektromagnetiese straling op enige beduidende vlak nie. Daar word beraam dat donker materie 26,8% van die totale massa-energie en 84,5% van die totale materie in die heelal uitmaak. ^{[86] [107]}

Gewone aangeleentheid

Die oorblywende 4,9% van die massa-energie van die heelal is gewone materie, dit wil sê atome , ione , elektrone en die voorwerpe wat hulle vorm. Hierdie aangeleentheid bevat sterre wat byna al die lig wat ons uit sterrestelsels sien, produseer, sowel as interstellêre gas in die interstellêre en intergalaktiese media, planete en al die voorwerpe uit die alledaagse lewe wat ons kan stamp, aanraak of druk. ^[108] Om die waarheid te sê, die grootste meerderheid gewone materie in die heelal is nie te sien nie, aangesien sigbare sterre en gas binne sterrestelsels en trosse minder as 10 persent van die gewone materie se bydrae tot die massa-energiedigtheid van die heelal. ^[109]

Gewone materiaal bestaan ​​gewoonlik in vier toestande (of fases ): vaste stof , vloeistof , gas en plasma . Vooruitgang in eksperimentele tegnieke het egter ander teoretiese fases, soos Bose – Einstein-kondensate en fermioniese kondensate, aan die lig gebring .

Gewone materiaal bestaan ​​uit twee soorte elementêre deeltjies : kwarks en leptone . ^[110] Die proton word byvoorbeeld gevorm uit twee opwaartse kwarks en een afwaartse kwark ; die neutron word gevorm uit twee afwaartse en een opwaartse kwark; en die elektron is 'n soort lepton. 'N Atoom bestaan ​​uit 'n atoomkern wat bestaan ​​uit protone en neutrone en elektrone wat om die kern wentel. Omdat die grootste deel van die massa van 'n atoom gekonsentreer is in sy kern, wat bestaan ​​uit barione , gebruik sterrekundiges die term baroniese materie om gewone materie te beskryf, alhoewel 'n klein fraksie van hierdie 'baroniese materie' elektrone is.

Kort na die oerknal het oerprotone en neutrone gevorm uit die kwark-gluon-plasma van die vroeë heelal terwyl dit onder twee triljoen grade afgekoel het. 'N Paar minute later, in 'n proses wat bekend staan ​​as die oerknal-nukleosintese , het kerne gevorm uit die oerprotone en neutrone. Hierdie nukleosintese het ligter elemente gevorm, dié met klein atoomgetalle tot litium en berillium , maar die oorvloed swaarder elemente het skerp afgeneem met toenemende atoomgetalle. Sommige boor is in hierdie tyd gevorm, maar die volgende swaarder element, koolstof , is nie in beduidende hoeveelhede gevorm nie. Oerknal-nukleosintese het na ongeveer 20 minute afgeskakel weens die vinnige daling in temperatuur en digtheid van die uitbreidende heelal. Daaropvolgende vorming van swaarder elemente is die gevolg van sterre nukleosintese en supernova-nukleosintese . ^[111]

Deeltjies

Standaardmodel van elementêre deeltjies: die 12 fundamentele fermione en 4 fundamentele bosone. Bruin lusse dui aan watter bosone (rooi) aan watter fermione (pers en groen) koppel. Kolomme is drie generasies materie (fermione) en een van kragte (bosone). In die eerste drie kolomme bevat twee rye kwarks en twee leptons. Die kolomme in die boonste twee rye bevat op (u) en af ​​(d) kwarks, bekoring (c) en vreemde (s) kwarks, boonste (t) en onder (b) kwarks, en foton (γ) en gluon (g) , onderskeidelik. Die kolomme van die onderste twee rye bevat elektronneutrino (ν _e ) en elektron (e), muon neutrino (ν _μ ) en muon (μ), tau neutrino (ν _τ ) en tau (τ), en die Z ⁰ en W ^± draers van die swak krag. Massa, lading en spin word vir elke deeltjie gelys.

Gewone materie en die kragte wat op materie inwerk, kan beskryf word aan die hand van elementêre deeltjies . ^[112] Hierdie deeltjies word soms as fundamenteel beskryf, omdat hulle 'n onbekende onderbou het, en dit is onbekend of dit uit kleiner en selfs meer fundamentele deeltjies bestaan. ^{[113] [114]} Van kardinale belang is die Standaardmodel , 'n teorie wat handel oor elektromagnetiese interaksies en die swak en sterk kerninteraksies. ^[115] Die standaardmodel word ondersteun deur die eksperimentele bevestiging van die bestaan ​​van deeltjies wat materie saamstel: kwarks en leptone , en hul ooreenstemmende " antimateriale " duale, sowel as die kragdeeltjies wat interaksies bemiddel : die foton , die W en Z bosone , en die gluon . ^[113] Die standaardmodel het die bestaan ​​van die onlangs ontdekte Higgs-boson voorspel , 'n deeltjie wat 'n manifestasie is van 'n veld in die heelal wat deeltjies met massa kan gee. ^{[116] [117]} Vanweë die sukses daarvan om 'n wye verskeidenheid eksperimentele resultate te verklaar, word die standaardmodel soms as 'n 'teorie van byna alles' beskou. ^[115] Die standaardmodel akkommodeer egter nie swaartekrag nie. 'N Ware kragdeeltjie-'teorie van alles' is nie bereik nie. ^[118]

Hadrons

'N Hadron is 'n saamgestelde deeltjie gemaak van kwarke wat deur die sterk krag bymekaar gehou word . Hadrone word in twee families ingedeel: barione (soos protone en neutrone ) wat uit drie kwarks bestaan, en mesone (soos pions ) van een kwark en een antiquark . Van die hadrone is protone stabiel en neutrone gebind binne atoomkerne stabiel. Ander hadrone is onstabiel onder gewone omstandighede en is dus onbeduidende bestanddele van die moderne heelal. Sowat 10 - ⁶ sekondes na die oerknal , gedurende 'n periode wat bekend staan ​​as die hadron-era , het die heelal se temperatuur voldoende gedaal om kwarks te laat bind tot hadrone, en die massa van die heelal word oorheers deur hadrone . Aanvanklik was die temperatuur hoog genoeg om die vorming van hadron / anti-hadron pare moontlik te maak, wat materie en antimaterie in termiese ewewig gehou het . Aangesien die temperatuur van die heelal egter bly daal, is daar nie meer hadron / anti-hadron-pare geproduseer nie. Die meeste van die hasrone en anti-hadrone is dan uitgeskakel in reaksies met die deeltjie-deeltjie- vernietiging , wat 'n klein hoeveelheid residue gehad het teen die tyd dat die heelal ongeveer een sekonde oud was. ^{[119] : 244–66}

Leptons

'N Lepton is 'n elementêre , halfgetal spindeeltjie wat nie sterk interaksies ondergaan nie, maar onderworpe is aan die Pauli-uitsluitingsbeginsel ; geen twee leptone van dieselfde spesie kan op dieselfde tyd in presies dieselfde toestand wees nie. ^[120] Daar bestaan ​​twee hoofklasse leptone: gelaaide leptone (ook bekend as die elektronagtige leptone) en neutrale leptone (beter bekend as neutrino's ). Elektrone is stabiel en die mees algemene gelaaide lepton in die heelal, terwyl muone en taus ' n onstabiele deeltjie is wat vinnig verval nadat dit geproduseer is in botsings met 'n hoë energie , soos kosmiese strale of in partikelversnellers . ^{[121] [122]} Gelaaide leptone kan met ander deeltjies kombineer om verskillende saamgestelde deeltjies soos atome en positronium te vorm . Die elektron beheer byna die hele chemie , aangesien dit in atome voorkom en direk gekoppel is aan alle chemiese eienskappe . Neutrino’s het selde interaksie met enigiets en word gevolglik selde waargeneem. Neutrino's stroom dwarsdeur die heelal, maar kom selde saam met normale materie. ^[123]

Die era van die lepton was die periode in die evolusie van die vroeë heelal waarin die leptone die massa van die heelal oorheers het. Dit het ongeveer 1 sekonde na die oerknal begin , nadat die meerderheid hadrone en anti-hadrons mekaar tot niet gemaak het aan die einde van die hadron-tydperk . Gedurende die lepton-tydperk was die temperatuur van die heelal steeds hoog genoeg om lepton / anti-leptonpare te skep, dus was leptone en anti-leptone in termiese ewewig. Ongeveer 10 sekondes na die oerknal het die heelal se temperatuur gedaal tot op die punt waar lepton / anti-leptonpare nie meer geskep is nie. ^[124] Die meeste leptone en antileptone is dan uitgeskakel in vernietigingsreaksies , wat 'n klein residu leptone agtergelaat het. Die massa van die heelal is toe deur fotone oorheers toe dit die volgende fotonepog betree het . ^{[125] [126]}

Fotone

'N Foton is die kwantum van die lig en alle ander vorme van elektromagnetiese straling . Dit is die kragdraer vir die elektromagnetiese krag , selfs wanneer dit staties is via virtuele fotone . Die effekte van hierdie krag is maklik waarneembaar op die mikroskopiese en op die makroskopiese vlak omdat die foton geen rusmassa het nie ; dit laat langafstand- interaksies toe . Soos alle elementêre deeltjies, word fotone tans die beste verklaar deur kwantummeganika en vertoon hulle golf-deeltjie-dualiteit , wat eienskappe van golwe en deeltjies vertoon .

Die foton-era het begin nadat die meeste leptone en anti-leptone aan die einde van die lepton-periode vernietig is , ongeveer 10 sekondes na die oerknal. Atoomkerne is geskep in die proses van nukleosintese wat gedurende die eerste paar minute van die fotonepog plaasgevind het. Vir die res van die foton-tydperk het die heelal 'n warm digte plasma van kerne, elektrone en fotone bevat. Ongeveer 380 000 jaar na die oerknal, het die heelal se temperatuur gedaal tot op die punt waar kerne met elektrone kon kombineer om neutrale atome te skep. Gevolglik het fotone nie meer gereeld interaksie met materie gehad nie en het die heelal deursigtig geword. Die hoogs rooiverskuifde fotone uit hierdie tydperk vorm die kosmiese mikrogolfagtergrond. Klein variasies in temperatuur en digtheid wat in die CMB waarneembaar was, was die vroeë "sade" waaruit alle daaropvolgende struktuurvorming plaasgevind het. ^{[119] : 244–66}

Model van die heelal gebaseer op algemene relatiwiteit

Algemene relatiwiteit is die geometriese teorie van gravitasie wat deur Albert Einstein in 1915 gepubliseer is en die huidige beskrywing van gravitasie in die moderne fisika . Dit is die basis van huidige kosmologiese modelle van die heelal. Algemene relatiwiteit veralgemeen spesiale relatiwiteit en Newton se wet van universele gravitasie , en bied 'n eenvormige beskrywing van swaartekrag as 'n geometriese eienskap van ruimte en tyd , of ruimtetyd. In die besonder hou die kromming van die ruimtetyd direk verband met die energie en momentum van watter materie en bestraling ook al. Die verband word gespesifiseer deur die Einstein-veldvergelykings , 'n stelsel van gedeeltelike differensiaalvergelykings . In die algemene relatiwiteit bepaal die verspreiding van materie en energie die meetkunde van ruimtetyd, wat weer die versnelling van materie beskryf. Daarom beskryf oplossings van die Einstein-veldvergelykings die evolusie van die heelal. Gekombineer met metings van die hoeveelheid, tipe en verspreiding van materie in die heelal, beskryf die vergelykings van algemene relatiwiteit die evolusie van die heelal oor tyd. ^[127]

Met die aanname van die kosmologiese beginsel dat die heelal oral homogeen en isotroop is, is 'n spesifieke oplossing vir die veldvergelykings wat die heelal beskryf, die metrieke tensor genaamd die metrieke Friedmann – Lemaître – Robertson – Walker ,

${\ displaystyle ds ^ {2} = - c ^ {2} dt ^ {2} + R (t) ^ {2} \ left ({\ frac {dr ^ {2}} {1-kr ^ {2} }} + r ^ {2} d \ theta ^ {2} + r ^ {2} \ sin ^ {2} \ theta \, d \ phi ^ {2} \ right)}$

waar ( r , θ, φ) ooreenstem met 'n sferiese koördinaatstelsel . Hierdie maatstaf het slegs twee onbepaalde parameters. 'N Algemene dimensielose lengte- skaalfaktor R beskryf die grootteskaal van die heelal as 'n funksie van tyd; 'n toename in R is die uitbreiding van die heelal . ^{[128] '} n Krommingsindeks k beskryf die meetkunde. Die indeks k is gedefinieer sodat dit slegs een van die drie waardes kan neem: 0, wat ooreenstem met die plat Euklidiese meetkunde ; 1, wat ooreenstem met 'n ruimte van positiewe kromming ; of −1, wat ooreenstem met 'n ruimte van positiewe of negatiewe kromming. ^[129] Die waarde van R as 'n funksie van tyd t afhanklik van k en die kosmologiese konstante Λ . ^[127] Die kosmologiese konstante stel die energiedigtheid van die lugvakuum voor en kan met donker energie verband hou. ^[87] Die vergelyking wat beskryf hoe R met die tyd wissel, staan ​​bekend as die Friedmann-vergelyking na die uitvinder Alexander Friedmann . ^[130]

Die oplossings vir R (t) hang af van k en Λ , maar sommige kwalitatiewe eienskappe van sulke oplossings is algemeen. Die belangrikste is dat die lengteskaal R van die heelal slegs konstant kan bly as die heelal perfek isotroop is met positiewe kromming ( k = 1) en oral een presiese digtheidswaarde het, soos die eerste opgemerk deur Albert Einstein . ^[127] Hierdie ewewig is egter onstabiel: omdat die heelal op kleiner skale onhomogeen is, moet R mettertyd verander. Wanneer R verander, verander al die ruimtelike afstande in die heelal in tandem; daar is 'n algehele uitbreiding of inkrimping van die ruimte self. Dit verklaar die waarneming dat dit lyk asof sterrestelsels uitmekaar vlieg; die spasie tussen hulle rek. Die strek van die ruimte is ook verantwoordelik vir die skynbare paradoks dat twee sterrestelsels 40 miljard ligjaar van mekaar kan wees, hoewel hulle 13,8 miljard jaar gelede vanaf dieselfde punt begin het ^[131] en nooit vinniger as die ligspoed beweeg het nie .

Tweedens, alle oplossings dui daarop dat daar vroeër 'n gravitasie-singulariteit was toe R na nul gegaan het en materie en energie oneindig dig was. Dit kan voorkom asof hierdie gevolgtrekking onseker is omdat dit gebaseer is op die twyfelagtige aannames van perfekte homogeniteit en isotropie (die kosmologiese beginsel) en dat slegs die gravitasie-interaksie van belang is. Die Penrose – Hawking-enkelheidstellings toon egter dat daar 'n enkelheid moet bestaan ​​vir baie algemene toestande. Volgens Einstein se veldvergelykings het R dus vinnig gegroei van 'n onvoorstelbare warm, digte toestand wat onmiddellik na hierdie singulariteit bestaan ​​(toe R 'n klein, eindige waarde gehad het); dit is die kern van die oerknal- model van die heelal. Om die singulariteit van die oerknal te begryp, is waarskynlik 'n kwantumteorie van swaartekrag nodig wat nog nie geformuleer is nie. ^[132]

Derdens bepaal die krommingsindeks k die teken van die gemiddelde ruimtelike kromming van ruimtetyd ^[129] gemiddeld oor voldoende groot lengte skale (groter as ongeveer 'n miljard ligjare ). As k = 1, is die kromming positief en het die heelal 'n eindige volume. ^{[133] '} n Heelal met positiewe kromming word dikwels gevisualiseer as 'n driedimensionele sfeer wat in 'n vier-dimensionele ruimte ingebed is. Omgekeerd, as k nul of negatief is, het die heelal 'n oneindige volume. ^[133] Dit lyk dalk kontra-intuïtief dat 'n oneindige en tog oneindige digte heelal in 'n enkele oomblik by die oerknal geskep kan word wanneer R = 0, maar presies dit word wiskundig voorspel wanneer k nie gelyk is aan 1. Analoog nie, 'n oneindige vlak het geen kromming nie, maar oneindige oppervlakte, terwyl 'n oneindige silinder eindig in een rigting is en 'n torus eindig in beide. 'N Toroïdale heelal kan optree soos 'n normale heelal met periodieke randtoestande .

Die uiteindelike lot van die heelal is nog onbekend omdat dit krities afhang van die krommingsindeks k en die kosmologiese konstante Λ . As die heelal voldoende dig sou wees, sou k gelyk wees aan +1, wat beteken dat sy gemiddelde kromming deurgaans positief is en dat die heelal uiteindelik sal terugval in 'n groot krisis , ^{[134] wat} moontlik 'n nuwe heelal in 'n groot weiering sal begin . Omgekeerd, as die heelal onvoldoende dig sou wees, sou k gelyk wees aan 0 of -1 en die heelal sou vir ewig uitbrei, afkoel en uiteindelik die Groot Vries en die hitte-dood van die heelal bereik . ^[127] Moderne data dui daarop dat die tempo van uitbreiding van die heelal nie afneem, soos oorspronklik verwag is nie, maar toeneem; as dit onbepaald voortduur, kan die heelal uiteindelik 'n Big Rip bereik . Waarnemend lyk die heelal plat ( k = 0), met 'n algehele digtheid wat baie naby is aan die kritieke waarde tussen terugval en ewige uitbreiding. ^[135]

Multiverse hipotese

Sommige spekulatiewe teorieë het voorgestel dat ons heelal maar net een van 'n stel ontkoppelde heelal is, wat gesamentlik as die multiversum aangedui word , wat meer beperkte definisies van die heelal uitdaag of verbeter. ^{[20] [136]} Wetenskaplike multiversele modelle is onderskeibaar van konsepte soos alternatiewe bewussynsvlakke en gesimuleerde werklikheid .

Max Tegmark het 'n vierdelige klassifikasieskema ontwikkel vir die verskillende soorte multiverses wat wetenskaplikes voorgestel het in reaksie op verskillende fisika- probleme. 'N Voorbeeld van sulke multiverse is die gevolg van die chaotiese inflasiemodel van die vroeë heelal. ^{[137] '} n Ander is die multiversiteit wat voortspruit uit die interpretasie van kwantummeganika in baie wêrelde . In hierdie interpretasie word parallelle wêrelde gegenereer op 'n manier soortgelyk aan kwantumsuperposisie en dekoherensie , terwyl alle toestande van die golffunksies in aparte wêrelde gerealiseer word. Effektief, in die interpretasie van baie wêrelde, ontwikkel die multiversum as 'n universele golffunksie . As die oerknal wat ons multiverse geskep het, 'n ensemble van multiversels geskep het, sou die golffunksie van die ensemble in hierdie sin verstrengel wees. ^[138]

Die minste omstrede, maar nog steeds hoogs omstrede, kategorie van multiverse in skema Tegmark se Vlak I . Die multiverse van hierdie vlak word saamgestel deur gebeurtenisse in die ruimtelike tyd 'in ons eie heelal'. Tegmark en ander ^[139] het aangevoer dat, as die ruimte oneindig is, of voldoende groot en eenvormig is, identiese gevalle van die geskiedenis van die hele Hubble-volume van die aarde so gereeld voorkom, eenvoudig toevallig. Tegmark het bereken dat ons naaste sogenaamde dubbelganger 10 ^{10 115} meter van ons af is ('n dubbele eksponensiële funksie groter as 'n googolplex ). ^{[140] [141]} Die argumente wat gebruik word, is egter van spekulatiewe aard. ^[142] Daarbenewens sou dit onmoontlik wees om die bestaan ​​van 'n identiese Hubble-volume wetenskaplik te verifieer.

Dit is moontlik om ontkoppelde ruimtetye te bedink, wat elk bestaan, maar nie in staat is om met mekaar te kommunikeer nie. ^{[140] [143] '} n Metafoor van hierdie konsep is maklik te visualiseer, is 'n groep afsonderlike seepbelle waarin waarnemers wat op een seepborrel leef, selfs in beginsel nie met dié op ander seepborrels kan kommunikeer nie. ^[144] Volgens een algemene terminologie word elke "seepbel" van ruimtetyd aangedui as 'n heelal , terwyl ons spesifieke ruimtetyd as die heelal aangedui word , ^[20] net soos ons ons maan die Maan noem . Die hele versameling van hierdie afsonderlike ruimtetye word aangedui as die multiverse. ^[20] Met hierdie terminologie is verskillende heelalle nie oorsaaklik met mekaar verbind nie. ^[20] In beginsel kan die ander ongekoppelde heelalle verskillende dimensies en topologieë van ruimtetyd hê, verskillende vorme van materie en energie , en verskillende fisiese wette en fisiese konstantes , alhoewel sulke moontlikhede suiwer bespiegelend is. ^[20] Ander beskou elkeen van verskeie borrels wat as deel van chaotiese inflasie geskep is, as afsonderlike heelalle , hoewel hierdie heelalle in hierdie model almal 'n oorsaaklike oorsprong het. ^[20]

Histories was daar baie idees oor die kosmos (kosmologieë) en die oorsprong daarvan (kosmogonieë). Teorieë oor 'n onpersoonlike heelal wat deur fisiese wette beheer word, is eers deur die Grieke en Indiërs voorgestel. ^[13] Antieke Chinese filosofie het die idee van die heelal omvat, met inbegrip van die hele ruimte en die hele tyd. ^[145] Deur die eeue heen het verbeteringe in astronomiese waarnemings en teorieë oor beweging en gravitasie gelei tot steeds akkurater beskrywings van die heelal. Die moderne era van kosmologie het begin met Albert Einstein se algemene relatiwiteitsteorie van 1915 , wat dit moontlik gemaak het om die oorsprong, evolusie en afsluiting van die heelal as geheel kwantitatief te voorspel. Mees moderne, aanvaarde kosmologie-teorieë is gebaseer op algemene relatiwiteit en, meer spesifiek, die voorspelde oerknal . ^[146]

Mitologieë

Baie kulture het verhale wat die oorsprong van die wêreld en die heelal beskryf . Kulture beskou hierdie verhale oor die algemeen as 'n mate van waarheid . Daar is egter baie verskillende oortuigings oor hoe hierdie verhale geld vir diegene wat glo in 'n bonatuurlike oorsprong, wat wissel van 'n god wat die heelal direk skep soos dit nou is, tot 'n god wat net die 'wiele aan die gang sit' (byvoorbeeld deur meganismes soos oerknal en evolusie). ^[147]

Etnoloë en antropoloë wat mites bestudeer, het verskillende klassifikasieskemas ontwikkel vir die verskillende temas wat in skeppingsverhale voorkom. ^{[148] [149]} In een soort storie word die wêreld byvoorbeeld gebore uit 'n wêreldseier ; sulke verhale sluit in die Finse epiese gedig Kalevala , die Chinese verhaal van Pangu of die Indiese Brahmanda Purana . In verwante verhale word die heelal geskep deur 'n enkele entiteit wat deur hom- of haarself voortspruit, soos in die Tibetaanse Boeddhisme- konsep van Adi-Boeddha , die antieke Griekse verhaal van Gaia (Moeder Aarde), die Asteekse godin Coatlicue- mite, die antieke Egiptiese god Atum- verhaal, en die Joods-Christelike Genesis-skeppingsnarratief waarin die Abrahamitiese God die heelal geskep het. In 'n ander soort verhaal word die heelal geskep uit die vereniging van manlike en vroulike gode, soos in die Maori-verhaal van Rangi en Papa . In ander verhale word die heelal geskep deur dit te vervaardig uit bestaande materiale, soos die lyk van 'n dooie god - soos uit Tiamat in die Babiloniese epos Enuma Elish of uit die reus Ymir in die Noorse mitologie - of uit chaotiese materiale, soos in Izanagi en Izanami in die Japannese mitologie . In ander verhale spruit die heelal uit fundamentele beginsels, soos Brahman en Prakrti , die skeppingsmite van die Serers , ^[150] of die yin en yang van die Tao .

Filosofiese modelle

Die pre-sokratiese Griekse filosowe en Indiese filosowe het van die vroegste filosofiese begrippe in die heelal ontwikkel. ^{[13] [151]} Die vroegste Griekse filosowe merk op dat voorkoms misleidend kan wees, en probeer om die onderliggende werklikheid agter die verskynings te verstaan. In die besonder het hulle kennis geneem van die vermoë van materie om vorms te verander (bv. Ys tot water om te stoom) en verskeie filosowe het voorgestel dat al die fisiese materiale in die wêreld verskillende vorme van 'n enkele oermateriaal of arche is . Die eerste wat dit gedoen het, was Thales , wat voorgestel het dat hierdie materiaal water moet wees . Thales se student, Anaximander , het voorgestel dat alles van die onbeperkte apeiron afkomstig was . Anaximenes het voorgestel dat die oermateriaal lug sou wees as gevolg van sy aantreklike aantreklike en afstootlike eienskappe wat veroorsaak dat die boog saamtrek of in verskillende vorme dissosieer. Anaxagoras het die beginsel van Nous (Mind) voorgestel , terwyl Heraclitus vuur voorgestel het (en van logo's gepraat het ). Empedocles het voorgestel dat die elemente aarde, water, lug en vuur sou wees. Sy vier-element-model het baie gewild geword. Net soos Pythagoras , het Plato geglo dat alle dinge uit getal bestaan , met Empedokles se elemente in die vorm van die platoniese vaste stowwe . Democritus en latere filosowe - veral Leucippus - het voorgestel dat die heelal bestaan ​​uit ondeelbare atome wat deur 'n leemte ( vakuum ) beweeg, hoewel Aristoteles nie geglo het dat dit haalbaar is nie, want lug, soos water, bied weerstand teen beweging . Lug sal dadelik instroom om 'n leemte te vul, en dit sal boonop onbepaald vinnig doen sonder weerstand. ^[13]

Alhoewel Heraclitus vir ewige verandering gepleit het, het sy hedendaagse Parmenides die radikale voorstel gemaak dat alle verandering 'n illusie is, dat die ware onderliggende werklikheid ewig onveranderlik en van een enkele aard is. Parmenides het hierdie werklikheid as τὸ ἐν (The One) aangedui. Parmenides se idee het vir baie Grieke onwaarskynlik gelyk, maar sy student Zeno van Elea het hulle met verskeie beroemde paradokse uitgedaag . Aristoteles het op hierdie paradokse gereageer deur die idee te ontwikkel van 'n potensiële telbare oneindigheid, sowel as die oneindig verdeelbare kontinuum. Anders as die ewige en onveranderlike siklusse van die tyd, het hy geglo dat die wêreld deur die hemelse sfere begrens word en dat die kumulatiewe sterrestelsel slegs eindig vermenigvuldig is.

Die Indiese filosoof Kanada , stigter van die Vaisheshika- skool, het 'n begrip van atomisme ontwikkel en voorgestel dat lig en hitte variëteite van dieselfde stof is. ^[152] In die 5de eeu nC, die Boeddhistiese atomist filosoof Dignāga voorgestelde atome om punt-grootte, durationless wees, en gemaak van energie. Hulle het die bestaan ​​van wesenlike materie ontken en voorgestel dat beweging bestaan ​​uit kortstondige flitse van 'n stroom energie. ^[153]

Die idee van temporale finitisme is geïnspireer deur die skeppingsleer wat deur die drie Abrahamitiese godsdienste gedeel word : Judaïsme , Christendom en Islam . Die Christelike filosoof , John Philoponus , het die filosofiese argumente teen die Griekse idee van 'n oneindige verlede en toekoms aangebied. Philoponus se argumente teen 'n oneindige verlede is gebruik deur die vroeë Moslem-filosoof , Al-Kindi (Alkindus); die Joodse filosoof , Saadia Gaon (Saadia ben Joseph); en die Moslem-teoloog , Al-Ghazali (Algazel). ^[154]

Astronomiese begrippe

Berekenings van die 3de eeu vC deur Aristarchus oor die relatiewe groottes van, van links na regs, die son, aarde en maan, uit 'n Griekse eksemplaar uit die tiende eeu nC.

Astronomiese modelle van die heelal is voorgestel kort nadat astronomie begin het met die Babiloniese sterrekundiges , wat die heelal as 'n plat skyf wat in die oseaan dryf, beskou, en dit vorm die uitgangspunt vir vroeë Griekse kaarte soos dié van Anaximander en Hecataeus van Milete .

Latere Griekse filosowe, wat die bewegings van die hemelliggame waargeneem het, was besig met die ontwikkeling van modelle van die heelal wat meer gebaseer was op empiriese bewyse . Die eerste samehangende model is voorgestel deur Eudoxus van Cnidos . Volgens Aristoteles se fisiese interpretasie van die model draai hemelsfere ewig met eenvormige beweging om 'n stilstaande Aarde. Normale materie is heeltemal vervat in die aardse sfeer.

De Mundo (saamgestel voor 250 vC of tussen 350 en 200 vC), het gesê: 'Vyf elemente, geleë in sfere in vyf streke, hoe minder in elk geval omring deur die groter - naamlik aarde omring deur water, water deur lug, lug deur vuur, en vuur deur eter — maak die hele heelal uit ”. ^[155]

Hierdie model is ook deur Callippus verfyn en nadat konsentriese sfere laat vaar is, is dit byna perfek ooreenstem met astronomiese waarnemings deur Ptolemeus . Die sukses van so 'n model is grootliks te wyte aan die wiskundige feit dat enige funksie (soos die posisie van 'n planeet) in 'n stel sirkelfunksies (die Fourier-modusse ) kan ontbind . Ander Griekse wetenskaplikes, soos die Pythagorese filosoof Philolaus , het (volgens Stobaeus- verslag) gepostuleer dat in die middel van die heelal 'n 'sentrale vuur' was waarom die aarde , son , maan en planete in eenvormige sirkelbeweging draai. ^[156]

Die Griekse sterrekundige Aristarchus van Samos was die eerste bekende persoon wat 'n heliosentriese model van die heelal voorgestel het. Alhoewel die oorspronklike teks verlore gegaan het, word 'n verwysing in Archimedes se boek The Sand Reckoner die heliosentriese model van Aristarchus beskryf. Archimedes het geskryf:

U, koning Gelon, weet dat die heelal die naam is wat die meeste sterrekundiges aan die sfeer gee waarvan die middelpunt die middelpunt van die aarde is, terwyl die radius gelyk is aan die reguit lyn tussen die middelpunt van die son en die middelpunt van die aarde. Aarde. Dit is die algemene weergawe soos u van sterrekundiges gehoor het. Maar Aristarchus het 'n boek na vore gebring wat uit sekere hipoteses bestaan, waarin dit blyk uit die aannames dat die heelal baie keer groter is as die sogenaamde heelal. Sy hipotese is dat die vaste sterre en die son onbeweeglik bly, dat die aarde om die son draai op die omtrek van 'n sirkel, die son in die middel van die baan lê, en dat die sfeer van vaste sterre ongeveer dieselfde middelpunt geleë is soos die Son, is so groot dat die sirkel waarin hy veronderstel dat die aarde moet draai, so 'n verhouding dra tot die afstand van die vaste sterre as wat die middelpunt van die sfeer tot sy oppervlak dra

Aristarchus het dus geglo dat die sterre baie ver weg was en het dit gesien as die rede waarom sterre-parallaks nie waargeneem is nie, dit wil sê dat daar nie waargeneem is dat die sterre relatief teenoor mekaar beweeg terwyl die aarde om die son beweeg het nie. Die sterre is in werklikheid baie verder weg as die afstand wat gewoonlik in antieke tye aanvaar is, en dit is waarom sterre parallaks slegs met presisie-instrumente waarneembaar is. Die geosentriese model, wat ooreenstem met die planetêre parallaks, is aanvaar as 'n verklaring vir die onwaarneembaarheid van die parallelle verskynsel, sterre parallaks. Die verwerping van die heliosentriese siening was blykbaar redelik sterk, soos die volgende gedeelte uit Plutarchus voorstel ( Op die skynbare gesig in die bol van die maan ):

Cleanthes ['n tydgenoot van Aristarchus en hoof van die Stoïsyne ] het gemeen dat dit die plig van die Grieke was om Aristarchus van Samos aan te kla op die aanklag van ongeskiktheid omdat hy die Haard van die Heelal [dws die Aarde] in werking gestel het, ... die hemel om in rus te bly en die aarde om in 'n skuins sirkel te draai, terwyl dit terselfdertyd om sy eie as draai

Flammarion-gravure , Parys 1888

Die enigste ander sterrekundige uit die oudheid wat bekend was by name en wat Aristarchus se heliosentriese model ondersteun het, was Seleucus van Seleucia , 'n Hellenistiese sterrekundige wat 'n eeu na Aristarchus geleef het. ^{[157] [158] [159]} Volgens Plutarchus was Seleucus die eerste wat die heliosentriese stelsel deur middel van redenasies bewys het , maar dit is nie bekend watter argumente hy gebruik het nie. Seleucus se argumente vir 'n heliosentriese kosmologie het waarskynlik verband gehou met die verskynsel van getye . ^[160] Volgens Strabo (1.1.9) was Seleucus die eerste om te verklaar dat die getye te wyte is aan die aantrekkingskrag van die Maan, en dat die hoogte van die getye afhang van die posisie van die Maan in verhouding tot die Son. ^[161] Alternatiewelik kan hy heliosentrisiteit bewys het deur die konstantes van 'n geometriese model daarvoor te bepaal en metodes te ontwikkel om planetêre posisies met behulp van hierdie model te bereken, soos wat Nicolaus Copernicus later in die 16de eeu gedoen het. ^[162] Gedurende die Middeleeue is heliosentriese modelle ook voorgestel deur die Indiese sterrekundige Aryabhata , ^[163] en deur die Persiese sterrekundiges Albumasar ^[164] en Al-Sijzi . ^[165]

Model van die Kopernikaanse heelal deur Thomas Digges in 1576, met die wysiging dat die sterre nie meer tot 'n sfeer beperk is nie, maar eenvormig deur die ruimte rondom die planete versprei .

Die Aristoteliese model is ongeveer twee millennia lank in die Westerse wêreld aanvaar totdat Copernicus die perspektief van Aristarchus dat die astronomiese gegewens meer waarskynlik verklaar kan word, sou herleef as die aarde op sy as sou draai en as die son in die middel van die heelal geplaas sou word.

In die middel rus die Son. Want wie sou hierdie lamp van 'n baie mooi tempel op 'n ander of beter plek plaas as dit waaruit dit alles tegelykertyd kan verlig?

-  Nicolaus Copernicus, in hoofstuk 10, boek 1 van De Revolutionibus Orbium Coelestrum (1543)

Soos Copernicus self opgemerk het, is die idee dat die aarde draai baie oud, en dateer ten minste uit Philolaus (ongeveer 450 vC), Heraclides Ponticus (c. 350 vC) en Ecphantus die Pythagorese . Ongeveer 'n eeu voor Copernicus het die Christengeleerde Nikolaas van Cusa ook voorgestel dat die aarde op sy as draai in sy boek On Learned Ignorance (1440). ^[166] Al-Sijzi ^{[167] het} ook voorgestel dat die aarde op sy as draai. Empi se getuienis vir die rotasie van die aarde op sy as, met behulp van die verskynsel van komete , is gelewer deur Tusi (1201–1274) en Ali Qushji (1403–1474). ^[168]

Hierdie kosmologie is aanvaar deur Isaac Newton , Christiaan Huygens en latere wetenskaplikes. ^[169] Edmund Halley (1720) ^[170] en Jean-Philippe de Chéseaux (1744) ^[171] het onafhanklik opgemerk dat die veronderstelling dat 'n oneindige ruimte gevul met sterre sou lei tot die voorspelling dat die naglug so helder sou wees soos die son self; dit het in die 19de eeu as Olbers se paradoks bekend geword. ^[172] Newton het geglo dat 'n oneindige ruimte wat eenvormig gevul was met materie, oneindige kragte en onstabiliteite sou veroorsaak dat die materie onder sy eie swaartekrag na binne verpletter word. ^[169] Hierdie onstabiliteit is in 1902 uitgeklaar deur die kriteria Jeans onstabiliteit . ^[173] Een oplossing vir hierdie paradokse is die Charlier Heelal , waarin die saak hiërargies gerangskik word (stelsels van liggame wat self in 'n groter stelsel wentel, ad infinitum ) op 'n fraktale manier sodat die heelal 'n weglaatbare klein geheel het digtheid; so 'n kosmologiese model is ook vroeër in 1761 deur Johann Heinrich Lambert voorgestel . ^{[52] [174] '} n Aansienlike astronomiese vooruitgang in die 18de eeu was die besef van newels deur Thomas Wright , Immanuel Kant en andere . ^[170]

In 1919, toe die Hooker-teleskoop voltooi is, was die algemene siening steeds dat die heelal geheel en al uit die Melkwegstelsel bestaan. Die gebruik van die haker Telescope, Edwin Hubble geïdentifiseer Cepheid veranderlikes in verskeie spiraal nebulae en in 1922-1923 bewys onweerlegbaar dat Andromeda Nebula en Triangulum onder andere, was hele sterrestelsels buite ons eie, en dit blyk dat heelal bestaan uit 'n menigte van sterrestelsels. ^[175]

Die moderne era van fisiese kosmologie het in 1917 begin, toe Albert Einstein sy algemene relatiwiteitsteorie vir die eerste keer toegepas het om die struktuur en dinamika van die heelal te modelleer. ^[176]

Kaart van die waarneembare heelal met enkele van die noemenswaardige astronomiese voorwerpe wat vandag bekend is. Die lengte-skaal neem eksponensieel na regs toe. Hemelliggame word vergroot in grootte om hul vorms te kan verstaan.

Voetnote

Aanhalings