Rencana ini mengenai cabang fizik dan astronomi. Untuk kegunaan lain, sila lihat
Kosmologi
.
Fizik kosmologi
(
Jawi
:
????? ?????????
), salah satu cabang
astronomi
, merupakan salah satu pengajian struktur berskala besar bagi
alam semesta
dan mempelajari persoalan-persoalan asas tentang pembentukan danperkembangan. Kosmologi merangkumi pengajian gerakan jasad samawi dan
sebab pertama
. bagi sejarah manusia, ia juga merupakan cabang
metafizik
. Kosmologi sebagai
sains
telah dipelopori oleh
prinsip Copernicus
, yang menyatakan bahawa jasad samawi mematuhi
hukum fizik
yang sama seperti di bumi, dan
mekanik Newton
, yang mula-mula membolehkan kita memahami pergerakan itu. Ia kini dikenali sebagai
mekanik samawi
. Fizik kosmologi, seperti yang difahami kini, bermula dengan pembangunan teori
Albert Einstein
terhadap
kerelatifan am
pada abad kedua puluh dan cerapan
astronomi
yang lebih baik terhadap objek yang terlampau jauh kini membantu perkembangan bidang ini.
Kemudahan pada abad kedua puluh membolehkan kita untuk mengagak asal-usul alam semesta dan membolehkan saintis menubuhkan teori
Letupan Besar
sebagai teori kosmologi yang merintis segalanya, yang kini diterima oleh ahli kosmologi sebagai asas kepada teori dan cerapan mereka. Walaupun beberapa orang pengkaji masih memegang kepada kosmologi alternatif, tetapi secara amnya kosmologi profesional bersetuju bahawa Letupan Besar adalah penerangan tebaik bagi cerapa-cerapan terkini. Fizik kosmologi boleh dikatakan berurusan dengan objek terbesar alam semesta (galaksi,
gugusan
dan
supergugus
), objek terjauh yang paling awal terbentuk (
kuasar
) dan alam semesta yang awal, apabila keadaan hampir homogen (
letupan besar yang panas
,
pengembungan kosmik
dan
sinaran gelombang mikro kosmik latar belakang
).
Kosmologi agak luar biasa dalam fizik kerana bergantung kepada ujikaji ahli fizik zarah, dan
kajian
fenomenologi hingga ke
teori tetangsi
; dari kajian
ahli astrofizik
; dari kajian
kerelatifan am
; dan dari
fizik plasma
. Maka, kosmologi menyatukan fizik pada struktur terbesar dalam alam semesta hinggalah ke fizik struktur terkecil dalam alam semesta.
-13 —
–
-12 —
–
-11 —
–
-10 —
–
-9 —
–
-8 —
–
-7 —
–
-6 —
–
-5 —
–
-4 —
–
-3 —
–
-2 —
–
-1 —
–
0 —
Kosmologi moden berkembang secara seiring di sepanjang landasan teori dan pemerhatian. Pada tahun 1916, Albert Einstein menerbitkan teori
kerelatifan am
nya, yang memberikan penerangan bersatu tentang graviti sebagai sifat geometri ruang dan masa.
[5]
Pada masa itu, Einstein percaya kepada
alam semesta statik
, tetapi mendapati bahawa rumus asal teorinya tidak membenarkannya.
[6]
Ini kerana jisim yang diedarkan di seluruh alam semesta secara graviti menarik, dan bergerak ke arah satu sama lain dari semasa ke semasa.
[7]
Walau bagaimanapun, dia menyedari bahawa persamaannya membenarkan pengenalan istilah tetap yang boleh mengatasi daya tarikan graviti pada skala kosmik. Einstein menerbitkan kertas pertamanya mengenai kosmologi relativistik pada tahun 1917, apabila dia menambahkan
pemalar kosmologi
ini kepada persamaan medannya untuk memaksa mereka memodelkan alam semesta statik.
[8]
Model Einstein menggambarkan alam semesta statik; ruang adalah terhingga dan tidak terhad (bersamaan dengan permukaan sfera, yang mempunyai kawasan terhingga tetapi tiada tepi). Walau bagaimanapun, model yang dipanggil Einstein ini tidak stabil kepada gangguan kecil?ia akhirnya akan mula
mengembang
atau mengecut.
[6]
Ia kemudiannya disedari bahawa model Einstein hanyalah satu daripada set kemungkinan yang lebih besar, yang semuanya konsisten dengan kerelatifan am dan prinsip kosmologi. Penyelesaian kosmologi kerelatifan am ditemui oleh
Alexander Friedmann
pada awal 1920-an.
[9]
Persamaannya menerangkan alam semesta
Friedmann?Lemaitre?Robertson?Walker
, yang mungkin mengembang atau mengecut, dan yang geometrinya mungkin terbuka, rata, atau tertutup.
Pada tahun 1910-an,
Vesto Slipher
(dan kemudiannya
Carl Wilhelm Wirtz
) mentafsirkan
anjakan merah
nebula lingkaran
sebagai
anjakan Doppler
yang menunjukkan bahawa ia telah mengundur dari Bumi.
[10]
[11]
Walau bagaimanapun, sukar untuk menentukan jarak ke objek astronomi. Satu cara ialah membandingkan saiz fizikal objek dengan
saiz sudut
nya, tetapi saiz fizikal mesti diandaikan untuk melakukan ini. Kaedah lain adalah untuk mengukur
kecerahan
objek dan menganggap
kilauan
intrinsik, dari mana jarak boleh ditentukan menggunakan
hukum kuasa dua songsang
. Disebabkan oleh kesukaran menggunakan kaedah ini, mereka tidak menyedari bahawa nebula sebenarnya adalah galaksi di luar Bima Sakti kita sendiri, dan mereka juga tidak membuat spekulasi tentang implikasi kosmologi. Pada tahun 1927, paderi Roman Katolik Belgium
Georges Lemaitre
secara bebas memperoleh persamaan Friedmann?Lemaitre?Robertson?Walker dan mencadangkan, berdasarkan pengunduran nebula lingkaran, bahawa alam semesta bermula dengan "letupan" "atom purba"
[12]
?yang kemudiannya dipanggil
Letupan Besar
. Pada tahun 1929, Edwin Hubble menyediakan asas pemerhatian untuk teori Lemaitre. Hubble menunjukkan bahawa nebula lingkaran adalah galaksi dengan menentukan jaraknya menggunakan ukuran kecerahan bintang
pembolehubah Cepheid
. Dia menemui hubungan antara anjakan merah galaksi dan jaraknya. Dia menafsirkan ini sebagai bukti bahawa galaksi sedang mengundur dari Bumi ke setiap arah pada kelajuan yang berkadaran dengan jaraknya.
[13]
Fakta ini kini dikenali sebagai
hukum Hubble
, walaupun faktor berangka yang ditemui oleh Hubble yang berkaitan dengan halaju dan jarak pengunduran dimatikan dengan faktor sepuluh, kerana tidak mengetahui tentang jenis pembolehubah Cepheid.
Berdasarkan
prinsip kosmologi
, hukum Hubble mencadangkan bahawa alam semesta mengembang. Dua penjelasan utama telah dicadangkan untuk pengembangan tersebut. Salah satunya ialah teori Letupan Besar Lemaitre, yang dianjurkan dan dibangunkan oleh George Gamow. Penjelasan lain ialah
model keadaan mantap
Fred Hoyle
iaitu jirim baru dicipta apabila galaksi bergerak menjauhi satu sama lain. Dalam model ini, alam semesta adalah lebih kurang sama pada bila-bila masa.
[14]
[15]
Selama beberapa tahun, sokongan untuk teori ini adalah sama rata. Walau bagaimanapun, bukti pemerhatian mula menyokong idea bahawa alam semesta berkembang daripada keadaan padat panas. Penemuan latar belakang gelombang mikro kosmik pada tahun 1965 memberikan sokongan kuat kepada model Letupan Besar,
[15]
dan sejak pengukuran tepat latar belakang gelombang mikro kosmik oleh
Penjelajah Latar Belakang Kosmik
pada awal 1990-an, beberapa ahli kosmologi telah mencadangkan teori lain tentang asal usul dan evolusi kosmos secara serius. Satu akibat daripada ini ialah dalam kerelatifan am piawai, alam semesta bermula dengan
ketunggalan
, seperti yang ditunjukkan oleh
Roger Penrose
dan
Stephen Hawking
pada tahun 1960-an.
[16]
Pandangan alternatif untuk memanjangkan model Letupan Besar, mencadangkan alam semesta tidak mempunyai permulaan atau ketunggalan dan usia alam semesta adalah tidak terhingga, telah dikemukakan.
[17]
[18]
[19]
Unsur kimia
paling ringan, terutamanya
hidrogen
dan
helium
, dicipta semasa
Letupan Besar
melalui proses
nukleosintesis
.
[20]
Dalam urutan tindak balas
nukleosintesis bintang
, nukleus atom yang lebih kecil kemudiannya digabungkan menjadi nukleus atom yang lebih besar, akhirnya membentuk unsur
kumpulan besi
yang stabil seperti
besi
dan
nikel
, yang mempunyai
tenaga pengikat
nuklear tertinggi.
[21]
Proses bersih menghasilkan
pelepasan tenaga kemudian
, bermakna selepas Letupan Besar.
[22]
Tindak balas zarah nuklear sedemikian boleh membawa kepada
pelepasan tenaga secara tiba-tiba
daripada bintang pembolehubah bencana seperti
novae
. Keruntuhan graviti jirim ke dalam lubang hitam juga menggerakkan proses yang paling bertenaga, biasanya dilihat di kawasan nuklear galaksi, membentuk
kuasar
dan
galaksi aktif
.
Ahli kosmologi tidak dapat menerangkan semua fenomena kosmik dengan tepat, seperti yang berkaitan dengan pengembangan alam semesta yang semakin pantas, menggunakan
bentuk tenaga
konvensional. Sebaliknya, ahli kosmologi mencadangkan satu bentuk tenaga baru yang dipanggil
tenaga gelap
yang meresap ke segenap ruang.
[23]
Satu hipotesis ialah tenaga gelap hanyalah
tenaga vakum
, komponen ruang kosong yang dikaitkan dengan
zarah maya
yang wujud disebabkan oleh
prinsip ketidakpastian
.
[24]
Tidak ada cara yang jelas untuk menakrifkan jumlah tenaga di alam semesta menggunakan teori graviti yang diterima secara meluas, kerelatifan am. Oleh itu, ia masih menjadi kontroversi sama ada jumlah tenaga dipelihara dalam alam semesta yang berkembang. Sebagai contoh, setiap
foton
yang bergerak melalui ruang antara galaksi kehilangan tenaga akibat kesan
anjakan merah
. Tenaga ini tidak dipindahkan ke mana-mana sistem lain, jadi nampaknya hilang secara kekal. Sebaliknya, sesetengah ahli kosmologi menegaskan bahawa tenaga dipelihara dalam erti kata tertentu; ini mengikut hukum
keabadian tenaga
.
[25]
Bentuk tenaga yang berbeza mungkin menguasai kosmos?
zarah relativistik
yang dirujuk sebagai
sinaran
, atau zarah bukan relativistik yang dirujuk sebagai
jirim
. Zarah relativistik ialah zarah yang
jisim rehat
nya adalah sifar atau boleh diabaikan berbanding
tenaga kinetik
nya, dan seterusnya bergerak pada kelajuan cahaya atau sangat dekat dengannya; zarah bukan relativistik mempunyai jisim rehat yang jauh lebih tinggi daripada tenaganya dan oleh itu bergerak lebih perlahan daripada kelajuan cahaya.
Apabila alam semesta mengembang, kedua-dua jirim dan sinaran menjadi cair. Walau bagaimanapun,
ketumpatan tenaga
sinaran dan jirim mencair pada kadar yang berbeza. Apabila isi padu tertentu mengembang, ketumpatan jisim-tenaga diubah hanya dengan pertambahan isi padu, tetapi ketumpatan tenaga sinaran diubah kedua-duanya oleh pertambahan isi padu dan oleh pertambahan
panjang gelombang
foton
yang membentuknya. Oleh itu tenaga sinaran menjadi bahagian yang lebih kecil daripada jumlah tenaga alam semesta daripada jirim apabila ia mengembang. Alam semesta yang sangat awal dikatakan telah 'dikuasai sinaran' dan sinaran mengawal nyahpecutan pengembangan. Kemudian, apabila tenaga purata setiap foton menjadi kira-kira 10
eV
dan lebih rendah, jirim menentukan kadar nyahpecutan dan alam semesta dikatakan 'dikuasai jirim'. Kes perantaraan tidak dikaji dengan baik secara analitikal. Apabila pengembangan alam semesta berterusan, jirim mencair lebih jauh dan
pemalar kosmologi
menjadi dominan, membawa kepada pecutan dalam pengembangan alam semesta.
- ^
"BICEP2 2014 Results Release"
.
The BICEP / Keck CMB Experiments
. 17 March 2014
. Dicapai pada
18 March
2014
.
- ^
Clavin, Whitney (17 March 2014).
"NASA Technology Views Birth of the Universe"
.
NASA
. Dicapai pada
17 March
2014
.
- ^
Overbye, Dennis
(17 March 2014).
"Detection of Waves in Space Buttresses Landmark Theory of Big Bang"
.
The New York Times
. Diarkibkan daripada
yang asal
pada 2022-01-01
. Dicapai pada
17 March
2014
.
- ^
Overbye, Dennis
(25 March 2014).
"Ripples From the Big Bang"
.
The New York Times
. Diarkibkan daripada
yang asal
pada 2022-01-01
. Dicapai pada
24 March
2014
.
- ^
"Nobel Prize Biography"
. Nobel Prize
. Dicapai pada
25 February
2011
.
- ^
a
b
Liddle, A. (2003).
An Introduction to Modern Cosmology
. Wiley. m/s.
51
.
ISBN
978-0-470-84835-7
.
- ^
Vilenkin, Alex (2007).
Many worlds in one: the search for other universes
. New York: Hill and Wang, A division of Farrar, Straus and Giroux. m/s. 19.
ISBN
978-0-8090-6722-0
.
- ^
Jones, Mark; Lambourne, Robert (2004).
An introduction to galaxies and cosmology
. Milton Keynes Cambridge, UK; New York: Open University Cambridge University Press. m/s. 228.
ISBN
978-0-521-54623-2
.
- ^
Jones, Mark; Lambourne, Robert (2004).
An introduction to galaxies and cosmology
. Milton Keynes Cambridge, UK; New York: Open University Cambridge University Press. m/s. 232.
ISBN
978-0-521-54623-2
.
- ^
Slipher, V. M. (1922). "Further Notes on Spectrographic Observations of Nebulae and Clusters".
Publications of the American Astronomical Society
.
4
: 284?286.
Bibcode
:
1922PAAS....4..284S
.
- ^
Seitter, Waltraut C.; Duerbeck, Hilmar W. (1999). Egret, Daniel; Heck, Andre (penyunting).
Carl Wilhelm Wirtz ? Pioneer in Cosmic Dimensions
.
Harmonizing Cosmic Distance Scales in a Post-Hipparcos Era
. ASP Conference Series.
167
. m/s. 237?242.
Bibcode
:
1999ASPC..167..237S
.
ISBN
978-1-886733-88-6
.
- ^
Lemaitre, G. (1927). "Un Univers homogene de masse constante et de rayon croissant rendant compte de la vitesse radiale des nebuleuses extra-galactiques".
Annales de la Societe Scientifique de Bruxelles
(dalam bahasa Perancis).
A47
: 49?59.
Bibcode
:
1927ASSB...47...49L
.
- ^
Hubble, Edwin (March 1929).
"A Relation between Distance and Radial Velocity among Extra-Galactic Nebulae"
.
Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America
.
15
(3): 168?173.
Bibcode
:
1929PNAS...15..168H
.
doi
:
10.1073/pnas.15.3.168
.
PMC
522427
.
PMID
16577160
.
- ^
Hoyle, F. (1948).
"A New Model for the Expanding Universe"
.
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society
.
108
(5): 372?382.
Bibcode
:
1948MNRAS.108..372H
.
doi
:
10.1093/mnras/108.5.372
.
- ^
a
b
"Big Bang or Steady State?"
.
Ideas of Cosmology
. American Institute of Physics. Diarkibkan daripada
yang asal
pada 12 June 2015
. Dicapai pada
2015-07-29
.
- ^
Earman, John (1999). Goenner, Hubert; Jurgen; Ritter, Jim; Sauer, Tilman (penyunting).
The Penrose-Hawking Singularity Theorems: History and Implications ? The expanding worlds of general relativity
.
The Expanding Worlds of General Relativity
. Birk presentations of the fourth conference on the and gravitation. m/s. 235?267.
Bibcode
:
1999ewgr.book..235E
.
doi
:
10.1007/978-1-4612-0639-2_7
.
ISBN
978-1-4612-6850-5
.
- ^
Ghose, Tia (26 February 2015).
"Big Bang, Deflated? Universe May Have Had No Beginning"
.
Live Science
. Dicapai pada
28 February
2015
.
- ^
Ali, Ahmed Faraq (4 February 2015). "Cosmology from quantum potential".
Physics Letters B
.
741
(2015): 276?279.
arXiv
:
1404.3093
.
Bibcode
:
2015PhLB..741..276F
.
doi
:
10.1016/j.physletb.2014.12.057
.
S2CID
55463396
.
- ^
Das, Saurya; Bhaduri, Rajat K (21 May 2015). "Dark matter and dark energy from a Bose?Einstein condensate".
Classical and Quantum Gravity
.
32
(10): 105003.
arXiv
:
1411.0753
.
Bibcode
:
2015CQGra..32j5003D
.
doi
:
10.1088/0264-9381/32/10/105003
.
S2CID
119247745
.
- ^
Burles, Scott; Nollett, Kenneth M.; Turner, Michael S. (May 2001). "Big Bang Nucleosynthesis Predictions for Precision Cosmology".
The Astrophysical Journal
.
552
(1): L1?L5.
arXiv
:
astro-ph/0010171
.
Bibcode
:
2001ApJ...552L...1B
.
doi
:
10.1086/320251
.
S2CID
118904816
.
- ^
Burbidge, E. M.; Burbidge, G. R.; Fowler, W. A.; Hoyle, F. (1957).
"Synthesis of the Elements in Stars"
.
Reviews of Modern Physics
.
29
(4): 547?650.
Bibcode
:
1957RvMP...29..547B
.
doi
:
10.1103/RevModPhys.29.547
.
- ^
Frautschi, S. (13 August 1982). "Entropy in an expanding universe".
Science
.
217
(4560): 593?599.
Bibcode
:
1982Sci...217..593F
.
doi
:
10.1126/science.217.4560.593
.
PMID
17817517
.
S2CID
27717447
.
- ^
Kirshner, R. P. (2003). "Throwing Light on Dark Energy".
Science
.
300
(5627): 1914?1918.
Bibcode
:
2003Sci...300.1914K
.
doi
:
10.1126/science.1086879
.
PMID
12817141
.
S2CID
43859435
.
- ^
Frieman, Joshua A.; Turner, Michael S.; Huterer, Dragan (2008). "Dark Energy and the Accelerating Universe".
Annual Review of Astronomy & Astrophysics
.
46
(1): 385?432.
arXiv
:
0803.0982
.
Bibcode
:
2008ARA&A..46..385F
.
doi
:
10.1146/annurev.astro.46.060407.145243
.
S2CID
15117520
.
- ^
e.g.
Liddle, A. (2003).
An Introduction to Modern Cosmology
. Wiley.
ISBN
978-0-470-84835-7
.
This argues cogently "Energy is always, always, always conserved."
- Cheng, Ta-Pei (2005).
Relativity, Gravitation and Cosmology: a Basic Introduction
. Oxford and New York: Oxford University Press.
ISBN 0-19-852957-0
.
Cosmology is introduced in the framework of general relativity -- but without the full tensor apparatus, which is presented in the last part of the book. Particularly suitable for an introductory GR course with an emphasis on cosmology.
- Dodelson, Scott (2003).
Modern Cosmology
. Academic Press.
ISBN 0-12-219141-2
.
Released slightly before the
WMAP
results, this is the most modern introductory textbook.
- Grøn, Øyvind (2007).
Einstein's General Theory of Relativity with Modern Applications in Cosmology
. New York: Springer.
ISBN 978-0-387-69199-2
.
- Harrison, Edward (2000).
Cosmology: the science of the universe
. Cambridge University Press.
ISBN 0-521-66148-X
.
A relatively unmathematical textbook.
- Kutner, Marc (2003).
Astronomy: A Physical Perspective
. Cambridge University Press.
ISBN 0-521-52927-1
.
An introductory astronomy textbook.
- Kolb, Edward (1988).
The Early Universe
. Addison-Wesley.
ISBN 0-201-11604-9
.
This is the classic reference for cosmologists.
- Liddle, Andrew (2003).
An Introduction to Modern Cosmology
. John Wiley.
ISBN 0-470-84835-9
.
An introduction to cosmology without General Relativity
- Liddle, Andrew (2000).
Cosmological Inflation and Large-Scale Structure
. Cambridge.
ISBN 0-521-57598-2
.
An introduction to cosmology with a thorough discussion of inflation.
- Mukhanov, Viatcheslav (2005).
Physical Foundations of Cosmology
. Cambridge University Press.
ISBN 0-521-56398-4
.
- Padmanabhan, T. (1993).
Structure formation in the universe
. Cambridge University Press.
ISBN 0-521-42486-0
.
Describes the formation of large-scale structures in detail.
- Peacock, John (1998).
Cosmological Physics
. Cambridge University Press.
ISBN 0-521-42270-1
.
An introduction with more background on general relativity and quantum field theory than most.
- Peebles, P. J. E. (1993).
Principles of Physical Cosmology
. Princeton University Press.
ISBN 0-691-01933-9
.
Peebles' book has a strong historical focus.
- Peebles, P. J. E. (1980).
The Large-Scale Structure of the Universe
. Princeton University Press.
ISBN 0-691-08240-5
.
The classic work on large scale structure, in particular the discussion of correlation functions.
- Rees, Martin (2002).
New Perspectives in Astrophysical Cosmology
. Cambridge University Press.
ISBN 0-521-64544-1
.
- Weinberg, Steven (1971).
Gravitation and Cosmology
. John Wiley.
ISBN 0-471-92567-5
.
An older book, but still a standard reference for a lot of the mathematical formalism.
- Carroll, Sean
. "
Cosmology Primer
". California Institute of Technology.
- Gale, George, "
Cosmology: Methodological Debates in the 1930s and 1940s
",
The Stanford Encyclopedia of Philosophy
, Edward N. Zalta (ed.)
- Madore, Barry F., "
Level 5
: A Knowledgebase for Extragalactic Astronomy and Cosmology
". Caltech and Carnegie. Pasadena, California, USA.
- Tyler, Pat, and Phil Newman "
Beyond Einstein
". Laboratory for High Energy Astrophysics (LHEA)
NASA
Goddard Space Flight Center
.
- Wright, Ned
. "
Cosmology tutorial and FAQ
". Division of Astronomy & Astrophysics, UCLA.
- Scientific American Magazine (February 2004 Issue) Four Keys to Cosmology
About acceleration.