Wikipedia

Fizik kosmologi

(Dilencongkan daripada Kosmologi fizikal)
Rencana ini mengenai cabang fizik dan astronomi. Untuk kegunaan lain, sila lihat Kosmologi.

Fizik kosmologi (Jawi: ‏فيزيک كوسمولوڬي‎‎), 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.

Sejarah subjek

sunting
 
Sejarah Alam Semesta – gelombang kegravitian dihipotesiskan timbul daripada inflasi kosmik, pengembangan yang lebih cepat daripada cahaya sejurus selepas Letupan Besar.[1][2][3][4]

Kosmologi moden berkembang secara seiring di sepanjang landasan teori dan pemerhatian. Pada tahun 1916, Albert Einstein menerbitkan teori kerelatifan amnya, 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–Lemaître–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 sudutnya, 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 Lemaître secara bebas memperoleh persamaan Friedmann–Lemaître–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 Lemaître. 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 Lemaître, 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]

Tenaga kosmos

sunting

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 rehatnya adalah sifar atau boleh diabaikan berbanding tenaga kinetiknya, 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.

Lihat juga

sunting

Rujukan

sunting
  1. ^ "BICEP2 2014 Results Release". The BICEP / Keck CMB Experiments. 17 March 2014. Dicapai pada 18 March 2014.
  2. ^ Clavin, Whitney (17 March 2014). "NASA Technology Views Birth of the Universe". NASA. Dicapai pada 17 March 2014.
  3. ^ 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.
  4. ^ 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.
  5. ^ "Nobel Prize Biography". Nobel Prize. Dicapai pada 25 February 2011.
  6. ^ a b Liddle, A. (2003). An Introduction to Modern Cosmology. Wiley. m/s. 51. ISBN 978-0-470-84835-7.
  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.
  8. ^ 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.
  9. ^ 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.
  10. ^ 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.
  11. ^ 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.
  12. ^ Lemaître, G. (1927). "Un Univers homogène de masse constante et de rayon croissant rendant compte de la vitesse radiale des nébuleuses extra-galactiques". Annales de la Société Scientifique de Bruxelles (dalam bahasa Perancis). A47: 49–59. Bibcode:1927ASSB...47...49L.
  13. ^ 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.
  14. ^ 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.
  15. ^ 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.
  16. ^ Earman, John (1999). Goenner, Hubert; Jürgen; 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.
  17. ^ Ghose, Tia (26 February 2015). "Big Bang, Deflated? Universe May Have Had No Beginning". Live Science. Dicapai pada 28 February 2015.
  18. ^ 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.
  19. ^ 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.
  20. ^ 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.
  21. ^ 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.
  22. ^ 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.
  23. ^ 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.
  24. ^ 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.
  25. ^ 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."
sunting

Buku teks

sunting
  • 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. Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (bantuan)
  • 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. Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (bantuan) 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. Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (bantuan) 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.

Pautan luar

sunting

Kumpulan

sunting

Individu

sunting
Diambil daripada "https://ms.wikipedia.org/w/index.php?title=Fizik_kosmologi&oldid=5918002"