Wat is de relatie tussen deeltjesfysica en kosmologie?
Er is een intieme relatie tussen de gebieden van deeltjesfysica en kosmologie, die zijn geïllustreerd door een lange rij natuurkundigen die tegelijkertijd werken: Albert Einstein, Stephen Hawking, Kip Thorne en vele anderen. Kosmologie is de studie van het universum en de structuur ervan, terwijl deeltjesfysica de studie is van fundamentele deeltjes zoals quarks en fotonen, de kleinst bekende objecten. Hoewel ze in eerste instantie misschien zo niet verbonden zijn als alles kan zijn, zijn kosmologie en deeltjesfysica in feite nauw verbonden.
In tegenstelling tot de complexe systemen op aarde, die veel worden beschreven met behulp van verklaringen op hoger niveau in plaats van eigenschappen die uit de laagste niveaus komen, zijn intergalactische en cosmologische fenomenen relatief eenvoudiger. Bijvoorbeeld, in de grote afstanden van de ruimte, heeft slechts één van de vier natuurkrachten enige echte invloed: zwaartekracht. Hoewel sterren en sterrenstelsels erg ver weg zijn en vaak groter zijn dan wijzelf, hebben we een opmerkelijk nauwkeurige PICTURE VAN HOE ZIJ WERKEN, afgeleid van fundamentele fysieke wetten die hun samenstellende deeltjes richten.
Het domein van de kosmologie die het nauwst verbonden is met de deeltjesfysica is de studie van de oerknal, de gigantische explosie die alle materie in het universum heeft gecreëerd en de ruimtetijd waarvan het universum zelf is samengesteld. De oerknal begon als een punt van bijna-infiniet dichtheid en nul volume: een singulariteit. Vervolgens breidde het zich snel uit tot de grootte van een atoomkern, waar de deeltjesfysica in het spel komt. Om te begrijpen hoe de vroegste momenten van de Big Bang het universum hebben beïnvloed zoals het vandaag is, moeten we gebruiken wat we weten over deeltjesfysica om plausibele kosmologische modellen te creëren.
Een van de motivaties voor het creëren van steeds krachtigere deeltjesversnellers is het uitvoeren van experimenten die de fysieke omstandigheden zo vroeg mogelijk simuleren in de histoRy van het universum, toen alles erg compact en heet was. Kosmologen moeten goed thuis zijn in de deeltjesfysica om belangrijke bijdragen aan het veld te leveren.
Een andere sleutel tot het begrijpen van de relatie tussen deeltjesfysica en kosmologie is om te kijken naar de studie van zwarte gaten. De fysieke eigenschappen van zwarte gaten zijn relevant voor de toekomst op lange termijn van de kosmos. Zwarte gaten zijn samengevouwen sterren met zo'n enorme zwaartekracht dat zelfs niet zelfs licht aan hun greep kan ontsnappen. Een tijdlang werd gedacht dat zwarte gaten geen straling uitten en eeuwig zouden zijn geweest, een paradox voor fysici. Maar Stephen Hawking theoretiseerde, gebaseerd op inzichten uit deeltjesfysica, dat zwarte gaten inderdaad straling uitzenden, die daarna werd nagesynchroniseerd.
Deeltjesfysica is ook zeer relevant naar onderzoeken van donkere materie, onzichtbare materie waarvan het bestaan bekend is vanwege de zwaartekrachtinvloed op zichtbare materie, en donkere energie, een mysterieusCE die het universum doordringt en ervoor zorgt dat de uitbreiding ervan versnelt. Dit zijn centrale vragen in de moderne kosmologie.