Hva er forholdet mellom partikkelfysikk og kosmologi?

Det er et intimt forhold mellom feltene partikkelfysikk og kosmologi, som ble eksemplifisert av en lang rekke fysikere som arbeider i begge samtidig: Albert Einstein, Stephen Hawking, Kip Thorne og mange andre. Kosmologi er studiet av universet og dets struktur, mens partikkelfysikk er studiet av grunnleggende partikler som kvarker og fotoner, de minste kjente objektene. Selv om de i begynnelsen kan virke så uforbundne som noe kan være, er kosmologi og partikkelfysikk faktisk nært knyttet sammen.

I motsetning til de komplekse systemene på jorden, som mye kan beskrives ved hjelp av forklaringer på høyere nivå i stedet for egenskaper som kommer fra de laveste nivåene, er intergalaktiske og kosmologiske fenomener relativt enklere. For eksempel, i de store romavstandene, er det bare en av de fire naturkreftene som har noen reell innflytelse: tyngdekraften. Selv om stjerner og galakser er veldig langt borte og mange ganger større enn oss selv, har vi et bemerkelsesverdig nøyaktig bilde av hvordan de fungerer, avledet fra grunnleggende fysiske lover som styrer deres bestanddeler.

Domenet til kosmologien som er mest koblet til partikkelfysikk er studiet av Big Bang, den gigantiske eksplosjonen som skapte alt stoffet i universet og romtiden universet selv består av. The Big Bang startet som et punkt på nesten uendelig tetthet og null volum: en singularitet. Deretter utvidet den seg raskt til størrelsen på en atomkjerne, og det er her partikkelfysikk spiller inn. For å forstå hvordan de tidligste øyeblikkene av Big Bang påvirket universet slik det er i dag, må vi bruke det vi vet om partikkelfysikk for å lage rimelige kosmologiske modeller.

En av motivasjonene for å skape stadig kraftigere partikkelakseleratorer er å gjennomføre eksperimenter som simulerer de fysiske omstendighetene så tidlig som mulig i universets historie, når alt var veldig kompakt og varmt. Kosmologer må være godt kjent med partikkelfysikk for å kunne gi betydelige bidrag til feltet.

En annen nøkkel til å forstå forholdet mellom partikkelfysikk og kosmologi er å se på studiet av sorte hull. De fysiske egenskapene til sorte hull er relevante for kosmos langsiktige fremtid. Svarte hull er kollapset stjerner med så enorm tyngdekraft at ikke engang lys kan unnslippe deres grep. En stund trodde man at svarte hull ikke ga ut stråling, og ville ha vært evig, et paradoks for fysikere. Men Stephen Hawking teoretiserte, basert på innsikt fra partikkelfysikk, at sorte hull faktisk avgir stråling, som deretter ble kalt Hawking-stråling.

Partikkelfysikk er også svært relevant i undersøkelser av mørk materie, usynlig materie hvis eksistens er kjent på grunn av dens gravitasjonspåvirkning på synlig materie, og mørk energi, en mystisk kraft som gjennomsyrer universet og får ekspansjonen til å akselerere. Dette er sentrale spørsmål i moderne kosmologi.