Universo
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O universo é comumente definida como a totalidade da existência, incluindo planetas , estrelas , galáxias , o conteúdo de espaço intergaláctico, e toda a matéria e energia . Definições e uso variam e termos similares incluem o cosmos, o mundo e natureza .
Observação científica do Universo, a parte observável do que é cerca de 93 bilhões de anos-luz de diâmetro, levou a inferências de seus estágios iniciais. Estas observações sugerem que o universo é governado pelas mesmas leis físicas e constantes em quase toda a sua extensão e história. O Big Bang teoria é o modelo cosmológico predominante que descreve o desenvolvimento inicial do Universo, que em cosmologia física é acreditado para ter ocorrido cerca de 13.770 milhões anos atrás.
Existem várias multiverse, hipóteses em que os físicos têm sugerido que o Universo pode ser um entre muitos universos que assim existem. A maior distância que é teoricamente possível para os seres humanos para ver é descrito como o Universo observável . Observações mostraram que o Universo parece estar se expandindo a uma ritmo acelerado, e uma série de modelos surgiram para prever seu destino final .
História
História observacional
Hubble eXtreme Deep Field (XDF)
Ao longo da história registrada, várias cosmologias e cosmogonias têm sido propostas para explicar observações do Universo. A primeira quantitativa modelos geocêntrico foram desenvolvidas pelos antigos filósofos gregos . Ao longo dos séculos, as observações mais precisas e melhores teorias da gravidade levou a de Copérnico modelo heliocêntrico eo newtoniano modelo do Sistema Solar , respectivamente. Outras melhorias na astronomia levaram à conclusão de que o Sistema Solar é incorporado em uma galáxia composta por bilhões de estrelas, a Via Láctea , e que as outras galáxias existem fora dele, tanto quanto instrumentos astronômicos podem alcançar. Cuidadosos estudos da distribuição dessas galáxias e sua linhas espectrais levaram à grande parte da cosmologia moderna . A descoberta do desvio para o vermelho e cósmica de fundo em microondas de radiação sugeriu que o Universo está se expandindo e teve um começo.
História do Universo
De acordo com o modelo científico predominante do Universo, conhecido como o Big Bang , o Universo expandiu-se de, numa fase densa extremamente quente chamada Planck época, na qual toda a matéria e energia do Universo observável foi concentrado. Desde a época Planck, o Universo tem sido expandindo a sua forma actual, possivelmente com um breve período (menos de 10 -32 segundos) de inflação cósmica . Várias medidas experimentais independentes apoiar este teórica expansão e, mais geralmente, a teoria do Big Bang. Observações recentes indicam que esta expansão é por causa da aceleração energia escuro, e que a maior parte da matéria no universo podem estar numa forma que não pode ser detectada pelos instrumentos actuais, chamado matéria escura . O uso comum da "matéria escura" e "energia escura" nomes de espaço reservado para as entidades desconhecidas supostamente representam cerca de 95% do densidade de massa-energia do Universo demonstra as actuais dificuldades e incertezas relativas à natureza e observacionais e conceituais destino final do Universo.
Interpretações atuais de observações astronômicas indicam que a idade do Universo é 13,772 ± 0,059 bilhão de anos, (enquanto que a dissociação entre luz e matéria, ver CMBR , aconteceu já 380 mil anos após o Big Bang), e que o diâmetro do Universo observável é, pelo menos, 93 mil milhões anos-luz ou 8,80 × 10 26 metros. De acordo com a relatividade geral , o espaço pode expandir mais rápido do que a velocidade da luz, embora possamos ver apenas uma pequena parte do Universo, devido à limitação imposta pela velocidade da luz. Já que não podemos observar o espaço além das limitações de luz (ou qualquer radiação electromagnética), é incerto se o tamanho do Universo é finito ou infinito.
Etimologia, sinônimos e definições
A palavra deriva do Universo Antiga palavra francesa Univers, que por sua vez deriva do latim palavra universum. A palavra latina foi usado por Cicero e mais tarde latino-autores em muitos dos mesmos sentidos como o moderno Inglês palavra é usada. A palavra deriva do latim Unvorsum contração poética - usado pela primeira vez por Lucrécio no Livro IV (line 262) de sua De rerum natura (Sobre a Natureza das Coisas) - que liga un, uni (a forma combinando de unus, ou "um") com vorsum, versum (um substantivo feita a partir do particípio passivo perfeito de vertere, que significa "algo rodado, rolado , alterado ").
Uma interpretação alternativa de unvorsum é "tudo rodado como um" ou "tudo rodado por um". Neste sentido, pode ser considerado uma tradução de uma palavra grega anteriormente para o Universo, περιφορά, (periforá, "circunvolução"), originalmente usado para descrever um curso de uma refeição, a comida sendo realizadas em torno do círculo de convidados do jantar. Esta palavra grega refere-se a esferas celestes, um modelo grego início do Universo. Em relação Platão Metáfora do sol, Aristóteles sugere que a rotação da esfera de estrelas fixas inspirados pelo motor primário, motiva, por sua vez, a mudança terrestre através da Sun. Cuidadosas astronómicas e medições físicas (tais como a Pêndulo de Foucault) são necessários para provar a Terra gira sobre seu eixo.
Um termo para "Universo" na Grécia antiga era πᾶν τὸ (para Pan, O All, Pan (mitologia)). Termos relacionados foram matéria, (τὸ ὅλον, tò Olón, veja também Hyle, lit. madeira) e local (τὸ κενόν, tò Kenon). Outros sinônimos para o Universo entre os antigos filósofos gregos incluídos κόσμος ( cosmos) e φύσις (significando Natureza , da qual deriva a palavra física ). As mesmas sinónimos são encontradas em autores latinos (totum, mundus, natura) e sobreviver em línguas modernas, por exemplo, as palavras alemãs Das Todos, Weltall, e Natur para Universe. Os mesmos são sinónimos encontrados em Inglês, tal como tudo (como no teoria de tudo), o cosmos (como na cosmologia ), o mundo (tal como no muitos mundos hipótese), e Nature (como em leis naturais ou filosofia natural).
A mais ampla definição: realidade e probabilidade
A definição mais ampla do Universo é encontrado em De divisione naturae pelo medieval filósofo e teólogo Johannes Scotus Erígena, que definiu como simplesmente tudo: tudo o que é criado e tudo o que não é criado.
Definição como realidade
Mais habitualmente, o Universo é definido como tudo o que existe, (já existe, e continuará a existir). De acordo com nosso conhecimento atual, o Universo é composto por três princípios: espaço-tempo, as formas de energia , incluindo a dinâmica e importa , eo leis físicas que lhes dizem respeito.
Definição conectado como espaço-tempo
É possível conceber desconectado espaciais vezes, cada existente, mas incapaz de interagir uma com a outra. Uma metáfora facilmente visualizado é um grupo de separado bolhas de sabão, em que observadores que vivem em uma bolha de sabão não podem interagir com os outros em bolhas de sabão, mesmo em princípio. De acordo com uma terminologia comum, cada "bolha de sabão" do espaço-tempo é indicado como um Universo, enquanto que o nosso especial espaço-tempo é denotado como o Universo, assim como chamamos nossa lua a lua . A coleção inteira destes espaços-tempos separados é denotado como o multiverso. Em princípio, os outros universos não conectadas podem ter diferentes dimensionalidades e topologias de diferentes formas de espaço-tempo, matéria e energia , e diferente leis físicas e constantes físicas, embora tais possibilidades são puramente especulativas.
Definição como realidade observável
De acordo com uma definição ainda mais restritiva, o Universo é tudo dentro de nossa conectado espaço-tempo que poderia ter a oportunidade de interagir com a gente e vice-versa. De acordo com a teoria da relatividade geral , algumas regiões espaço nunca pode interagir com o nosso mesmo na vida do Universo, devido ao finito velocidade da luz e do curso expansão do espaço. Por exemplo, mensagens de rádio enviadas da Terra pode nunca chegar a algumas regiões do espaço, mesmo que o Universo iria viver para sempre; espaço pode expandir mais rápido do que a luz pode atravessá-lo.
São tomadas regiões distantes do espaço para existir e ser parte da realidade tanto quanto nós somos; ainda que nunca podemos interagir com eles. A região espacial dentro do qual nós podemos afetar e ser afetado é o Universo observável . Estritamente falando, o universo observável depende da localização do observador. Ao viajar, um observador pode entrar em contacto com uma maior região de espaço-tempo do que um observador que permanece ainda, de modo que o universo observável para o primeiro é maior do que para esta última. No entanto, mesmo o viajante mais rápida não será capaz de interagir com a totalidade do espaço. Normalmente, o Universo observável é tomado para significar o Universo observável a partir de nosso ponto de vista na Via Láctea.
Tamanho, idade, conteúdo, estrutura e leis
O tamanho do universo é desconhecida; pode ser infinita. A região visível da Terra (o universo observável ) é uma esfera com um raio de cerca de 46 bilhões ano de luz, a partir de onde o expansão do espaço tem levado os objetos mais distantes observadas. Para efeito de comparação, o diâmetro de uma típica galáxia é apenas 30.000 anos-luz, e a distância típica entre duas galáxias vizinhas é de apenas 3 milhões anos-luz. Como exemplo, a nossa Via Láctea Galaxy fica a cerca de 100.000 anos-luz de diâmetro, e nossa galáxia mais próxima da irmã, a galáxia de Andrômeda , está localizado cerca de 2,5 milhões de anos-luz de distância. Há provavelmente mais de 100 bilhões (10 11) galáxias no Universo observável. Galáxias típicas variam de anões com tão poucos como dez milhões (10 7) estrelado por até gigantes com um trilhão (10 12), todas as estrelas que orbitam o centro da massa da galáxia. Um estudo de 2010 por astrônomos estimam que o Universo observável contém 300 sextillion (3 × 10 23) estrelas.
A matéria observável é espalhado de forma homogénea (uniforme) por todo o Universo, quando em média por distâncias superiores a 300 milhões de anos-luz. No entanto, em menores escalas de comprimento, a matéria é observado para formar "blocos", ou seja, para se aglomeram hierarquicamente; muitos átomos são condensados em estrelas , a maioria das estrelas em galáxias, a maioria das galáxias em clusters, supercúmulos e, finalmente, as estruturas de larga escala , tais como a Grande Muralha de galáxias. A matéria observável do Universo também é espalhado isotropically, o que significa que nenhuma direcção de observação parece diferente de qualquer outro; cada região do céu tem aproximadamente o mesmo conteúdo. O Universo também é banhada por um altamente isotrópico microondas radiação que corresponde a um equilíbrio térmico espectro de corpo negro de cerca de 2.725 kelvin . A hipótese de que o universo em larga escala é homogéneo e isotrópico é conhecido como o princípio cosmológico, que é apoiado por observações astronômicas .
O presente geral densidade do Universo é muito baixa, cerca de 9,9 × 10 -30 gramas por centímetro cúbico. Esta massa-energia parece consistir em 73% energia escura, 23% matéria escura fria e 4% matéria comum. Assim, a densidade dos átomos é da ordem de um único átomo de hidrogénio de cada quatro metros cúbicos de volume. As propriedades da energia escura e da matéria escura são em grande parte desconhecido. A matéria escura gravita como matéria comum, e, portanto, funciona para retardar o expansão do Universo; por outro lado, a energia escura acelera sua expansão.
O estimativa atual da idade do Universo é 13,772 ± 0,059 bilhões anos de idade. Estimativas independentes (com base em medições, tais como datação radioativa) concordam em 13-15000000000 anos. O Universo não tem sido o mesmo em todos os momentos da sua história; por exemplo, as populações relativas de quasares e galáxias mudaram e em si parece não ter espaço expandida. Esta expansão representa como os cientistas do Terra-limite pode observar a luz de uma galáxia 30 bilhões de anos-luz de distância, mesmo que a luz tem viajado por apenas 13.000 milhões anos; o muito espaço entre eles aumentou. Esta expansão é consistente com a observação de que a luz de galáxias distantes foi redshifted ; os fótons emitidos foram esticados para mais comprimentos de onda e inferior frequência durante a viagem. A taxa dessa expansão espacial é acelerando, com base em estudos de Supernovas de Tipo Ia e corroborada por outros dados.
O fracções relativos de diferentes elementos químicos - particularmente os átomos mais leves, como hidrogênio , deutério e hélio - parecem ser idênticos em todo o Universo e toda a sua história observável. O Universo parece ter muito mais matéria do que antimatéria, uma assimetria, possivelmente relacionadas com as observações de Violação CP. O Universo parece não ter net carga elétrica e, portanto, a gravidade parece ser a interação dominante em escalas cosmológicas de comprimento. O Universo também parece ter nem net impulso nem o momento angular . A ausência de carga líquida e impulso seguiria de leis físicas aceites ( lei de Gauss ea não divergência do pseudotensor tensão-energia-momentum, respectivamente), se o Universo fosse finito.
O Universo parece ter um bom continuum espaço-tempo constituído por três espacial dimensões e um temporal ( tempo ) dimensão. Em média, espaço é observado para ser quase plana (perto de zero curvatura), o que significa que a geometria euclidiana é verdade experimentalmente com alta precisão durante a maior parte do Universo. O espaço-tempo também parece ter um simplesmente ligado topologia , pelo menos na escala de comprimento do universo observável. No entanto, estas observações não se pode excluir a possibilidade de que o Universo tem mais dimensões e que o seu espaço-tempo pode ter uma topologia mundial multiplamente conectada, em analogia com a cilíndrica ou topologias de toroidais bidimensional espaços.
O Universo parece se comportar de uma maneira que acompanha regularmente um conjunto de leis físicas e As constantes físicas. De acordo com a prevalecente Modelo Padrão da física, toda a matéria é composta de três gerações de léptons e quarks , sendo que ambos são férmions. Estes partículas elementares interagir via no máximo três interações fundamentais: interação eletrofraca que inclui o eletromagnetismo ea força nuclear fraca; o força nuclear forte descrito por cromodinâmica quântica; e gravidade , o que é melhor descrita no presente pela relatividade geral . Os dois primeiros interacções pode ser descrito por renormalizada teoria quântica de campo , e são mediados pela bósons que correspondem a um tipo particular de simetria de medida. A teoria quântica de campos renormalizada da relatividade geral ainda não foi alcançado, apesar de várias formas de teoria das cordas parecem promissores. A teoria da relatividade especial é acreditado para realizar por todo o Universo, desde que as escalas de comprimento espaciais e temporais são suficientemente curto; caso contrário, a teoria mais geral da relatividade geral deve ser aplicada. Não há explicação para os valores específicos que constantes físicas parecem ter todo o nosso Universo, tal como H constante de Planck ou o G constante gravitacional. Vários leis de conservação foram identificadas, tal como o conservação da carga, força , momento angular e energia; em muitos casos, essas leis de conservação pode ser relacionado com simetrias ou identidades matemáticas.
Afinação
Parece que muitas das propriedades do universo têm valores especiais no sentido de que um universo onde estas propriedades diferem apenas ligeiramente não seria capaz de suportar a vida inteligente. Nem todos os cientistas concordam que esta fine-tuning existe. Em particular, não se sabe em que condições de vida inteligente poderia formar e de que forma ou forma que tomaria. Uma observação relevante nessa discussão é que, para existir um observador observar fine-tuning, o Universo deve ser capaz de suportar a vida inteligente. Como tal, o probabilidade condicional de observar um universo que é aperfeiçoá-lo para suportar a vida inteligente é 1. Esta observação é conhecido como o princípio antrópico e é particularmente relevante se a criação do Universo foi probabilística ou se vários universos com uma variedade de propriedades existem (ver abaixo ).
Modelos históricos
Muitos modelos do cosmo (cosmologias) e sua origem (cosmogonias) têm sido propostas, com base nos dados e concepções do Universo então disponíveis. Historicamente, cosmologias e cosmogonias foram baseados em narrativas de deuses que agem de várias maneiras. Teorias de um Universo impessoal regidas por leis físicas foram propostos pelos gregos e indianos. Ao longo dos séculos, as melhorias em observações astronômicas e teorias do movimento e da gravitação levou a descrições cada vez mais precisos do Universo. A era moderna da cosmologia começou com Albert Einstein 1915 teoria geral da relatividade , o que tornou possível prever quantitativamente a origem, evolução e conclusão do Universo como um todo. Mais moderno, teorias aceitas da cosmologia são baseados na teoria da relatividade geral e, mais especificamente, o previsto Big Bang ; no entanto, ainda medições mais cuidadosos são necessários para determinar qual teoria está correta.
Criação
Muitas culturas têm histórias que descrevem a origem do mundo, o que pode ser grosseiramente agrupadas em tipos comuns. Em um tipo de história, o mundo nasce de um ovo do mundo; tais histórias incluem o Finlandês poema épico Kalevala, o chinês história de Pangu ou a indiana Brahmanda Purana. Em histórias relacionadas, a ideia de criação é causada por uma única entidade que emana ou algo produzir por si próprio, como no Conceito de budismo tibetano Adi-Buda, o grego antigo história de Gaia (Mãe Terra), o Deusa asteca Mito Coatlicue, a Egito antigo deus História Atum, ou o Genesis narrativa da criação. Em outro tipo de história, o mundo é criado a partir da união de divindades masculinas e femininas, como no Maori história de Rangi e Papa. Em outras histórias, o universo é criado por elaborar-lo a partir de materiais pré-existentes, tais como o cadáver de um deus morto - a partir de No tiamat Épico babilônico Enuma Elish ou do gigante Ymir na mitologia nórdica - ou a partir de materiais caóticas, como em Izanagi e Izanami em Mitologia japonesa. Em outras histórias, o Universo emana de princípios fundamentais, como Brahman e Prakrti, o mito de criação do Serers, ou o yin e yang do Tao.
Modelos filosóficos
A partir do século 6 aC, o filósofos gregos pré-socráticos desenvolveu os primeiros modelos filosóficos conhecidas do Universo. Os primeiros filósofos gregos observaram que as aparências enganam, e procurou compreender a realidade subjacente por trás das aparências. Em particular, eles observaram a capacidade da matéria para mudar formas (por exemplo, o gelo a água em vapor) e vários filósofos que todas as propostas aparentemente diferentes materiais do mundo são formas diferentes de um único material primordial, ou Arche. O primeiro a fazê-lo foi Thales , que propôs este material é Água. Estudante Thales, Anaximandro, propôs que tudo veio do ilimitada apeiron. Anaximenes proposta Ar por conta de suas qualidades atrativas e repulsivas percebidos que causam o arche de condensar ou dissociar-se em diferentes formas. Anaxágoras, propôs o princípio da Nous (Mente). Heráclito propôs fogo (e falou de logos). Empédocles proposta os elementos: terra, água, ar e fogo. Sua teoria dos quatro elementos se tornou muito popular. Como Pitágoras , Platão acreditava que todas as coisas eram compostas de número , com elementos do Empédocles tomando a forma de os sólidos platônicos . Demócrito, filósofos e posteriores-mais notavelmente Leucipo-proposta que o Universo era composto por indivisíveis átomos que se movem por void ( vácuo). Aristóteles não acreditava que era viável porque ar, como a água, ofertas resistência ao movimento. Air vão correr imediatamente para preencher um vazio e, além disso, sem resistência, ele iria fazê-lo indefinidamente rápido.
Embora Heráclito defendeu mudança eterna, seu quase-contemporâneo Parmênides fez a sugestão radical de que toda mudança é uma ilusão, que a verdadeira realidade subjacente é eternamente imutável e de uma única natureza. Parmênides denotado esta realidade como τὸ ἐν (The One). Teoria de Parmênides parecia improvável para muitos gregos, mas seu aluno Zenão de Elea desafiou-os com vários famosos paradoxos. Aristóteles respondeu a esses paradoxos, desenvolvendo a noção de um potencial infinito contável, bem como o contínuo infinitamente divisível. Ao contrário dos ciclos eternos e imutáveis do tempo, ele acreditava que o mundo foi delimitada pelas esferas celestes, e assim magnitude foi de apenas um número finito multiplicativa.
O Filósofo indiano Kanada, fundador do Escola Vaisheshika, desenvolveu uma teoria de atomização e proposto que luz e calor foram variedades da mesma substância. No século 5 dC, o Budista filósofo atomista Dignaga proposta átomos de ser ponto de tamanho, durationless, e feito de energia. Eles negaram a existência da matéria substancial e propôs que o movimento consistiu em flashes momentâneos de uma corrente de energia.
A teoria da finitismo temporais foi inspirada pela doutrina da criação compartilhada pelos três Religiões abraâmicas: Judaísmo , Cristianismo e Islamismo . O Filósofo cristão, John Philoponus, apresentou os argumentos filosóficos contra a antiga noção grega de um passado infinito e futuro. Philoponus argumentos "contra um passado infinito foram utilizados pela filósofo muçulmano cedo, Al-Kindi (Alkindus); o Filósofo judeu, Saadia Gaon (Saadia ben Joseph); e o Teólogo muçulmano, Al-Ghazali (Algazel). Contracção de Física e Metafísica de Aristóteles, empregaram dois argumentos lógicos contra um passado infinito, sendo o primeiro o "argumento da impossibilidade da existência de um infinito real", que afirma:
- "Um infinito real não pode existir."
- "Um regresso temporal infinito de eventos é um infinito real."
- "
Um regresso temporal infinito de eventos não pode existir. "
O segundo argumento, o "argumento da impossibilidade de concluir um infinito real por adição sucessiva", afirma:
- "Um infinito real não pode ser concluída por adição sucessiva."
- "A série temporal de eventos passados foi concluída por adição sucessiva."
- " A série temporal de eventos passados não pode ser um infinito real. "
Ambos os argumentos foram adotadas por filósofos e teólogos cristãos, eo segundo argumento em particular tornou-se mais famoso depois que ele foi adotado por Immanuel Kant em sua tese do primeiro antinomia relativa tempo .
Modelos astronômicos
Modelos astronômicos do Universo foram propostos logo após astronomia começou com a Astrônomos babilônios, que viram o Universo como um disco achatado flutuando no oceano, e isto constitui a premissa para mapas gregos como os de Anaximandro e Hecataeus de Mileto.
Mais tarde gregos filósofos, observando os movimentos dos corpos celestes, estavam preocupados com o desenvolvimento de modelos do Universo baseado mais profundamente sobre evidência empírica. O primeiro modelo coerente foi proposto por Eudoxus de Cnidos. De acordo com a interpretação física de Aristóteles sobre o modelo, esferas celestes eternamente girar com movimento uniforme em torno de uma Terra estacionária. Normal importa, está inteiramente contido dentro da esfera terrestre. Este modelo também foi refinado por Calipo e depois de esferas concêntricas foram abandonados, ele foi trazido em concordância quase perfeita com observações astronômicas por Ptolomeu . O sucesso de um tal modelo é principalmente devido ao fato de que qualquer função matemática (por exemplo, a posição de um planeta) pode ser decomposto em um conjunto de funções circulares (a Modos de Fourier). Outros cientistas gregos, como o Filósofo Pitágoras Philolaus postulado que no centro do Universo era um "fogo central" em torno do qual a Terra , Sol , Lua e planetas giravam em movimento circular uniforme. O Astrônomo grego Aristarco de Samos foi a primeira pessoa conhecida a propor um heliocêntrica modelo do Universo. Embora o texto original foi perdido, uma referência no Arquimedes livro The Sand Reckoner descreve Aristarco 'teoria heliocêntrica. Arquimedes escreveu: (traduzido para o Inglês)
Você Rei Gelon estão cientes do 'Universo' é o nome dado pela maioria dos astrônomos à esfera cujo centro é o centro da Terra, enquanto seu raio é igual à linha recta entre o centro do Sol e do centro da Terra. Esta é a conta comum, como você já ouviu falar dos astrônomos. Mas Aristarco trouxe um livro que consiste em certas hipóteses, em que ele aparece, como conseqüência das premissas adotadas, que o Universo é muitas vezes maior do que o 'Universo' acabei de mencionar. Suas hipóteses são que as estrelas fixas eo sol permanecem impassíveis, que a Terra gira em torno do Sol sobre a circunferência de um círculo, o Sol encontra-se no meio da órbita, e que a esfera das estrelas fixas, situado sobre o mesmo centro como o Sol, é tão grande que o círculo em que ele supõe que a terra gira suporta uma tal proporção com a distância das estrelas fixas como o centro da esfera ursos à sua superfície.
Aristarco, portanto, acreditava que as estrelas a ser muito longe, e viu isso como a razão pela qual não houve paralaxe visível, isto é, um movimento observado das estrelas em relação ao outro como a Terra se movia em torno do Sol As estrelas são de fato muito mais longe do que a distância que foi geralmente assumido nos tempos antigos, e é por isso paralaxe estelar só é detectável com telescópios. O modelo geocêntrico, consistente com paralaxe planetária, foi assumida como uma explicação para a unobservability do fenómeno paralelo, paralaxe estelar. A rejeição da visão heliocêntrica era aparentemente bastante forte, como a seguinte passagem de Plutarco sugere (na face aparente na esfera da Lua):
Cleanthes [um contemporâneo de Aristarco e cabeça dos estóicos] pensei que era o dever dos gregos para indiciar Aristarco de Samos sob a acusação de impiedade por colocar em movimento o Hearth of the Universe [ou seja, a terra],. . . supondo que o céu permaneça em repouso e que a terra gira em um círculo oblíquo, enquanto ele gira, ao mesmo tempo, sobre seu próprio eixo.
O único outro astrônomo da Antiguidade conhecido pelo nome que apoiou modelo heliocêntrico de Aristarco 'foi Seleuco de Selêucia, um Astrônomo helenístico que viveu um século depois de Aristarco. Conforme Plutarco, Seleuco foi o primeiro a provar o sistema heliocêntrico através raciocínio, mas não se sabe quais os argumentos que ele usou. Argumentos Seleuco 'para uma teoria heliocêntrica provavelmente estavam relacionados com o fenómeno da marés . Conforme Estrabão (1.1.9), Seleuco foi o primeiro a afirmar que as marés são devido à atração da Lua, e que a altura das marés depende da Lua posição em relação ao Sol Como alternativa, ele pode ter provado a teoria heliocêntrica, determinando as constantes de um geométrico modelo para a teoria heliocêntrica e desenvolvendo métodos para calcular as posições planetárias usando este modelo, como o que Nicolau Copérnico fez mais tarde, no século 16. Durante a Idade Média , os modelos heliocêntrico pode ter sido também proposto pela Astrônomo indiano, Aryabhata, e pela Astrónomos persas, Albumasar e Al-Sijzi.
O modelo aristotélico foi aceite na Mundo ocidental por cerca de dois milênios, até que Copérnico revivida teoria Aristarco 'que os dados astronômicos poderia ser explicada de forma mais plausível se a terra girada sobre seu eixo e se o sol foram colocados no centro do Universo.
| " | No centro assenta o sol. Por que iria colocar esta lâmpada de um muito bonito templo em outro ou lugar melhor do que este de onde ele pode iluminar tudo ao mesmo tempo? | " |
-Nicolaus Copérnico, no capítulo 10, Livro 1 de De Revolutionibus Orbium Coelestrum (1543) | ||
Como observado pelo próprio Copérnico, a sugestão de que o Terra gira era muito antiga, datando pelo menos para Philolaus (c. 450 aC), Heraclides Ponticus (c. 350 aC) e Ecphantus o Pitágoras. Cerca de um século antes de Copérnico, estudioso cristão Nicolau de Cusa também propôs que a Terra gira sobre seu eixo em seu livro, On douta ignorância (1440). Aryabhata (476-550), Brahmagupta (598-668), Albumasar e Al-Sijzi, também propôs que a Terra gira sobre seu eixo. O primeiro evidência empírica para a rotação da Terra sobre seu eixo, usando o fenômeno de cometas , foi dada por Tusi (1201-1274) e Ali Qushji (1403-1474).
Esta cosmologia foi aceito por Isaac Newton , Christiaan Huygens e cientistas posteriores. Edmund Halley (1720) e Jean-Philippe de Cheseaux (1744) observou que, independentemente da assunção de um espaço infinito preenchido uniformemente com estrelas levaria à previsão de que o céu noturno seria tão brilhante quanto o próprio sol; Isso ficou conhecido como Paradoxo de Olbers, no século 19. Newton acreditava que um espaço infinito uniformemente preenchido com a matéria causaria forças infinitas e instabilidades que causam a matéria a ser esmagada para dentro sob sua própria gravidade. Essa instabilidade foi esclarecida em 1902 pela Jeans critério de instabilidade. Uma solução para estes paradoxo é o Charlier Universo, em que o assunto é organizado hierarquicamente (sistemas de corpos que são eles próprios que orbitam em um sistema maior, ad infinitum em órbita) em um fractal maneira tal que o Universo tem um insignificantemente pequena densidade global; tal modelo cosmológico também havia sido proposto anteriormente em 1761 por Johann Heinrich Lambert. Um avanço significativo astronômico do século 18 foi a realização por Thomas Wright, Immanuel Kant e outros de nebulosas.
A era moderna da cosmologia física começou em 1917, quando Albert Einstein primeiro aplicou sua teoria da relatividade geral para modelar a estrutura e dinâmica do Universo.
Os modelos teóricos
Dos quatro interações fundamentais, a gravitação é dominante em escalas cosmológicas de comprimento; ou seja, as outras três forças desempenham um papel insignificante na determinação das estruturas ao nível dos sistemas planetários, galáxias e estruturas de grande escala. Porque toda a matéria e energia gravitar, os efeitos da gravidade são cumulativos; pelo contrário, os efeitos de cargas positivas e negativas tendem a anular-se mutuamente, tornando electromagnetismo relativamente insignificante em escalas de comprimento cosmológicas. Os restantes dois, as interações fracas e as forças nucleares fortes, declinar muito rapidamente com a distância; os seus efeitos estão confinados principalmente para escalas de comprimento sub-atômicas.
Teoria geral da relatividade
Predominância dada de gravitação na formação de estruturas cosmológicas, previsões precisas do passado e do futuro do Universo requer uma teoria exata da gravitação. A melhor teoria disponível é Albert Einstein teoria geral da relatividade, que passou todos os testes experimentais até então. No entanto, porque experimentos rigorosos não foram realizadas em escalas cosmológicas de comprimento, a relatividade geral poderia concebivelmente ser imprecisa. No entanto, suas previsões cosmológicas parecem ser consistentes com as observações, então não há nenhuma razão convincente para adotar outra teoria.
A relatividade geral prevê um conjunto de dez equações não-lineares parciais diferenciais para a métrica do espaço-tempo ( equações de campo de Einstein) que devem ser resolvidos a partir da distribuição de massa-energia e impulso em todo o Universo. Porque estes são desconhecidas em detalhe exato, modelos cosmológicos foram com base no princípio cosmológico, que afirma que o Universo é homogêneo e isotrópico. Com efeito, este princípio afirma que os efeitos gravitacionais das várias galáxias que compõem o Universo são equivalentes às de um fino pó distribuído uniformemente por todo o Universo com a mesma densidade média. A hipótese de uma poeira uniforme torna mais fácil para resolver equações de campo de Einstein e prever o passado eo futuro do Universo em escalas de tempo cosmológicos.
Equações de campo de Einstein incluem um constante cosmológica ( Λ ), que corresponde a uma densidade de energia de espaço vazio. Dependendo de seu sinal, a constante cosmológica pode lento (negativo Λ ) ou acelerar (positiva Λ ) a expansão do Universo. Embora muitos cientistas, incluindo Einstein, tinham especulado que Λ foi zero, observações astronômicas recentes de supernovas de Tipo Ia ter detectado uma grande quantidade de " energia escura "que está acelerando a expansão do Universo. Estudos preliminares sugerem que esta energia escura corresponde a um positiva Λ , apesar de teorias alternativas não pode ser descartada ainda. Russo físico Zel'dovich sugeriu que Λ é uma medida da energia do ponto zero associada a partículas virtuais de teoria quântica de campos , um penetrante energia do vácuo que existe em toda parte, mesmo no espaço vazio. A evidência para tal energia do ponto zero é observada no efeito Casimir .
A relatividade especial e espaço-tempo
O Universo tem pelo menos três espaciais e uma temporal ( tempo ) dimensão. Durante muito tempo pensou que as dimensões espaciais e temporais foram diferentes em natureza e independentes uma da outra. No entanto, de acordo com a teoria da relatividade especial , separações espaciais e temporais são intercambiáveis (dentro de limites) por mudar de movimento.
Para compreender este interconversão, é útil considerar a interconversão análogo de separação espacial ao longo das três dimensões espaciais. Considere as duas extremidades de uma haste de comprimento L . O comprimento pode ser determinada a partir das diferenças entre as três coordenadas Ax, Ay e Δz dos dois terminais em um dado referencial
usando o teorema de Pitágoras . Em um quadro de referência girado, a coordenada diferenças são diferentes, mas eles dão o mesmo comprimento
Assim, as diferenças de coordenadas (Ax, Ay, Δz) e (Δξ, Δη, Δζ) não são intrínsecos à haste, mas apenas refletem o quadro de referência utilizada para descrevê-lo; por outro lado, o comprimento L é uma propriedade intrínseca da haste. As diferenças de coordenadas pode ser mudada sem afectar a haste, através da rotação de um quadro de referência.
A analogia no espaço-tempo é chamado de intervalo entre dois eventos; um evento é definido como um ponto no espaço-tempo, uma posição específica no espaço e um momento específico no tempo. O intervalo de espaço-tempo entre dois eventos é dada pela
em que c é a velocidade da luz. De acordo com a relatividade especial , pode-se alterar a separação espacial e temporal ( G 1 , Δ t 1 ) para outro ( G 2 , Δ t 2 ) mudando de uma estrutura de referência, desde que a alteração mantém o intervalo de espaço-tempo s . Essa mudança na estrutura de referência corresponde a uma mudança de movimento; em um quadro em movimento, comprimentos e os tempos são diferentes de suas contrapartes em um referencial estacionário. A forma precisa em que a coordenar e diferenças de tempo muda com o movimento é descrito pela transformação de Lorentz.
Resolvendo equações de campo de Einstein
As distâncias entre as galáxias fiação aumentar com o tempo, mas as distâncias entre as estrelas dentro de cada Galaxy permanecer aproximadamente o mesmo, devido às suas interacções gravitacionais. Esta animação ilustra um Friedmann Universo fechado com zero de constante cosmológica Λ; tal universo oscila entre um Big Bang e uma Big Crunch.
Em não-cartesiano (não-quadrado) ou curvado sistemas de coordenadas, o teorema de Pitágoras detém apenas em escalas de comprimento infinitesimais e deve ser aumentada com um mais geral tensor métrico g μν , que pode variar de um lugar para outro e que descreve a geometria local na nomeadamente o sistema de coordenadas. No entanto, supondo que o princípio cosmológico que o Universo é homogêneo e isotrópico em todos os lugares, cada ponto no espaço é como todos os outros pontos; daí, o tensor métrico deve ser o mesmo em todos os lugares. Isso leva a uma única forma para o tensor métrico, chamada de métrica Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker
onde ( r , θ, φ) corresponder a um sistema de coordenadas esféricas . Este métrica tem apenas dois parâmetros: indeterminados uma escala de comprimento de R que pode variar com o tempo, e um índice de curvatura k que pode ser apenas 0, 1 ou -1, correspondendo plana para a geometria euclidiana , ou espaços de positivo ou negativo curvatura. Em cosmologia, resolvendo para a história do universo é feito por meio do cálculo de R como uma função do tempo, dado k e o valor da constante cosmológica Λ , o qual é um (pequeno) parâmetro nas equações de campo de Einstein. A equação que descreve como R varia com o tempo é conhecido como a equação de Friedmann, após o seu inventor, Alexander Friedmann.
As soluções de r (t) dependem K e Λ , mas algumas características qualitativas de tais soluções são em geral. Primeiro e mais importante, a escala de comprimento R do Universo pode permanecer constante única se o Universo é perfeitamente isotrópico com curvatura positiva ( k = 1) e tem um valor preciso da densidade em toda parte, como referido pela primeira vez por Albert Einstein . No entanto, este equilíbrio é instável e porque o universo é conhecido por ser não homogéneo em escalas menores, R deve mudar, de acordo com a relatividade geral . Quando R mudanças, todas as distâncias espaciais na mudança Universo em conjunto; há uma expansão ou contracção global do próprio espaço. Isso explica a observação de que as galáxias parecem estar voando à parte; o espaço entre elas é o alongamento. O alongamento do espaço também explica o aparente paradoxo de que duas galáxias podem ser de 40 bilhões de anos luz de distância, embora eles começaram a partir do mesmo ponto 13.770 milhões anos atrás e nunca se moveu mais rápido do que a velocidade da luz .
Em segundo lugar, todas as soluções sugerem que havia uma singularidade gravitacional no passado, quando R vai para zero e matéria e energia se tornou infinitamente denso. Pode parecer que esta conclusão é incerto, porque se baseia em pressupostos questionáveis de perfeita homogeneidade e isotropia (o princípio cosmológico) e que só a interação gravitacional é significativo. No entanto, o Penrose-Hawking teoremas de singularidade mostram que uma singularidade deve existir para condições muito gerais . Assim, de acordo com as equações de campo de Einstein, R cresceu rapidamente a partir de, um estado densa inimaginavelmente quente que existia imediatamente após esta singularidade (quando R tinha um valor pequeno, finito); esta é a essência do Big Bang modelo do Universo. Um equívoco comum é que o modelo do Big Bang prevê que a matéria ea energia explodiu a partir de um único ponto no espaço e no tempo; o que é falso. Pelo contrário, o próprio espaço foi criado no Big Bang e imbuído de uma quantidade fixa de energia e matéria distribuída uniformemente por toda parte; como se expande espaço (isto é, como R (t) ), aumenta a densidade de energia e de matéria que diminui.
Espaço não tem nenhum limite - que é empiricamente mais certo do que qualquer observação externa. No entanto, isso não implica que o espaço é infinito ... (traduzido, original em alemão) |
| Bernhard Riemann(Habilitationsvortrag, 1854) |
Em terceiro lugar, o índice de curvatura k determina o sinal da curvatura espacial média de espaço-tempo, calculados sobre escalas de comprimento superior a um bilhão de anos-luz. Se k = 1, a curvatura é positivo e o universo tem um volume finito. Tais universos são frequentemente visualizados como uma esfera tridimensional S 3 incorporado num espaço de quatro dimensões. Por outro lado, se k é zero ou negativa, o universo pode ter um volume infinito, dependendo do seu global topologia . Pode parecer contra-intuitivo que um universo infinito e ainda infinitamente denso pode ser criado em um único instante no Big Bang, quando R = 0, mas exatamente o que está previsto matematicamente quando k não é igual a 1. Para efeito de comparação, um plano infinito tem curvatura zero, mas área infinita, ao passo que um cilindro infinito é finito numa direcção e um toro é finito em ambos. Um universo toroidal poderia se comportar como um universo normal com condições de contorno periódicas, como visto em jogos de vídeo "wrap-around", como Asteroids ; um viajante que cruza um "limite" do espaço exterior indo para o exterior iria reaparecer instantaneamente em outro ponto no limite movendo para dentro .
O destino final do Universo ainda é desconhecida, porque depende criticamente sobre o índice de curvatura k ea constante cosmológica Λ . Se o Universo é suficientemente denso, k é igual a 1, o que significa que a sua curvatura média durante todo é positivo eo Universo acabará por colapsar em um Big Crunch, possivelmente iniciar um novo Universo em um Big Bounce. Por outro lado, se o Universo não é suficientemente denso, k é igual a 0 ou -1 eo Universo se expandirá para sempre, se refrescar e, eventualmente, tornar-se inóspito para toda a vida, como as estrelas morrem e toda a matéria se aglutina em buracos negros (o gelo grande eo calor morte do Universo). Como observado acima, dados recentes sugerem que a velocidade de expansão do Universo não está diminuindo, como inicialmente esperado, mas aumentando; se isso continuar por tempo indeterminado, o Universo acabará por rasgar-se em pedaços (o Big Rip). Experimentalmente, o Universo tem uma densidade global que é muito próximo do valor crítico entre colapsar e expansão eterna; observações astronômicas mais cuidadosas são necessárias para resolver a questão.
Modelo do Big Bang
O modelo big bang predominante responsável por muitas das observações experimentais descritas acima, tais como a correlação da distância e do desvio para o vermelho de galáxias, a proporção de hidrogénio universal: átomos de hélio, e o de fundo ubíqua radiação de microondas isotrópico. Como observado acima, o desvio para o vermelho surge da expansão métrica do espaço; como o próprio espaço se expande, o comprimento de onda de um fóton viajando através do espaço da mesma forma aumenta, diminuindo sua energia. Quanto mais tempo um fóton tem viajado, mais expansão que foi submetido; daí, os fótons mais velhos de galáxias mais distantes são os mais vermelho-deslocada. Determinar a correlação entre distância e redshift é um problema importante no experimental cosmologia física .
Outras observações experimentais pode ser explicada através da combinação da expansão total do espaço com nuclear e física atómica . À medida que o universo se expande, a densidade de energia da radiação electromagnética diminui mais rapidamente do que a de que a matéria , porque a energia de um fotão diminui com o seu comprimento de onda. Assim, embora a densidade de energia do Universo é agora dominado pela matéria, ele já foi dominado por radiação; poeticamente falando, tudo era luz . À medida que o Universo se expandiu, sua densidade de energia diminuiu e tornou-se mais frio; como ele fez isso, as partículas elementares da matéria poderia associar de forma estável em combinações cada vez maiores. Assim, no início da era dominado por matéria, estáveis prótons e nêutrons formado, que, em seguida, associada em núcleos atômicos . Nesta fase, a matéria no Universo era principalmente uma quente e denso plasma de negativos elétrons , neutros e neutrinos núcleos positivos. As reações nucleares entre os núcleos levou aos presentes abundâncias dos núcleos mais leves, especialmente hidrogênio , deutério e hélio . Eventualmente, os elétrons e núcleos combinados para formar átomos estáveis, que são transparentes para a maioria dos comprimentos de onda de radiação; Neste ponto, a radiação desacoplada da matéria, que forma o fundo ubíqua, isotrópica de radiação micro-ondas observou hoje.
Outras observações não são respondidas definitivamente pela física conhecida. De acordo com a teoria dominante, um ligeiro desequilíbrio da matéria sobre a antimatéria estava presente na criação do Universo, ou se desenvolveu muito pouco tempo depois, possivelmente devido à violação CP que tem sido observado por físicos de partículas . Embora a matéria e antimatéria principalmente aniquilado uns aos outros, produzindo fótons , um pequeno resíduo de matéria sobreviveu, dando o presente dominado por matéria Universo. Diversas linhas de evidência sugerem também que uma rápida inflação cósmica do Universo ocorreu muito cedo na sua história (cerca de 10 -35 segundos após a sua criação). Observações recentes sugerem também que a constante cosmológica ( Λ ) não é zero e que o líquido é o conteúdo da massa-energia do Universo é dominado por uma energia escura e matéria escura que não foram caracterizadas cientificamente. Eles diferem em seus efeitos gravitacionais. A matéria escura gravita como matéria ordinária faz, e assim retarda a expansão do Universo; por outro lado, a energia escura serve para acelerar a expansão do Universo.
Teoria do multiverso
Algumas teorias especulativas propuseram que este universo é apenas um de um conjunto de universos desconectados, denotadas coletivamente como o multiverso, definições mais limitadas desafiadoras ou reforço do Universo. Teorias multiverso científicas são distintas de conceitos tais como planos alternativos da consciência e realidade simulada, embora a idéia de um universo maior não é novo; por exemplo, o bispo Étienne Tempier de Paris decidiu em 1277 que Deus poderia criar tantos universos, como ele bem entendesse, uma questão que estava sendo muito debatido pelos teólogos franceses.
Max Tegmark desenvolveu uma quarta parte esquema de classificação para os diferentes tipos de multiversos que os cientistas têm sugerido em vários domínios de problemas. Um exemplo de tal teoria é o modelo de inflação caótica do início do Universo. Outra é a interpretação de muitos mundos da mecânica quântica. Mundos paralelos são gerados de forma semelhante a superposição quântica e decoerência, com todos os estados da função de onda que está sendo realizado em mundos separados. Efetivamente, o multiverso evolui como uma função de onda universal. Se o Big Bang que criou o nosso multiverso criado um conjunto de multiversos, a função de onda do conjunto seria enredado nesse sentido.
A categoria menos controverso do multiverso no esquema de Tegmark é de nível I, que descreve eventos espaço-tempo distantes "em nosso próprio universo". Se o espaço é infinito, ou suficientemente ampla e uniforme, instâncias idênticas da história de toda da Terra volume de Hubble ocorrem de vez em quando, simplesmente por acaso. Tegmark calculada nosso chamado mais próximo doppelgänger, está a 10 10 115 metros de distância de nós (a função exponencial dupla maior do que um googolplex). Em princípio, seria impossível verificar cientificamente um volume idêntico Hubble. No entanto, ele segue como conseqüência bastante simples a partir de observações científicas outra independentes e teorias. Tegmark sugere que a análise estatística explorando o princípio antrópico oferece uma oportunidade para testar teorias multiverso em alguns casos. Geralmente, a ciência iria considerar uma teoria do multiverso que postula nem um ponto comum de causalidade, nem a possibilidade de interação entre os universos, para ser uma especulação ociosa.
Forma do Universo
A forma ou geometria do universo inclui tanto a geometria local no universo observável e geometria global, que pode ou não ser capaz de medir. A forma pode referir-se a curvatura e topologia . Mais formalmente, o sujeito na prática que investiga 3-variedade corresponde à seção espacial em comóvel coordenadas do quadridimensional do espaço-tempo do Universo. Os cosmólogos normalmente trabalhar com uma determinada fatia espaço-like do espaço-tempo chamado o comóvel coordenadas. Em termos de observação, a secção do espaço-tempo que pode ser observado é a trás cone de luz (pontos dentro da luz horizonte cósmico , dado o tempo para chegar a um determinado observador). Se o Universo observável é menor do que o Universo inteiro (em alguns modelos, é várias ordens de magnitude menor), não se pode determinar a estrutura global de observação: um é limitada a um pequeno patch.
Entre o Friedmann-Lemaître modelos-Robertson-Walker (FLRW), o atualmente mais popular forma do Universo encontrada para ajustar os dados observacionais de acordo com os cosmólogos é o modelo plano infinito, enquanto outros modelos FLRW incluir o espaço dodecaédrico Poincaré eo chifre Picard. Os dados se encaixam por estes modelos FLRW de espaço especialmente incluir o Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) mapas da radiação cósmica de fundo. NASA lançou o primeiro de dados radiação cósmica de fundo WMAP em fevereiro de 2003. Em 2009, o observatório Planck foi lançado para observar o fundo de microondas em maior resolução do que WMAP, possivelmente, fornecendo mais informações sobre a forma do Universo. Os dados devem ser liberados no início de 2013.
