Jaki jest związek między fizyką cząstek a kosmologią?
Istnieje ścisły związek między polami fizyki cząstek i kosmologii, czego przykładem jest długa linia fizyków pracujących w obu jednocześnie: Albert Einstein, Stephen Hawking, Kip Thorne i wielu innych. Kosmologia to badanie wszechświata i jego struktury, podczas gdy fizyka cząstek to badanie podstawowych cząstek, takich jak kwarki i fotony, najmniejsze znane obiekty. Chociaż na początku mogą się wydawać tak niepowiązane, jak to tylko możliwe, kosmologia i fizyka cząstek są w rzeczywistości ściśle powiązane.
W przeciwieństwie do złożonych systemów na Ziemi, które można opisać za pomocą wyjaśnień wyższego poziomu, a nie właściwości wyłaniających się z najniższych poziomów, zjawiska międzygalaktyczne i kosmologiczne są stosunkowo prostsze. Na przykład w ogromnych odległościach kosmicznych tylko jedna z czterech sił natury ma rzeczywisty wpływ: grawitacja. Chociaż gwiazdy i galaktyki są bardzo daleko i wiele razy większe od nas samych, mamy niezwykle dokładny obraz ich działania, wywodzący się z podstawowych praw fizycznych kierujących ich cząstkami składowymi.
Dziedziną kosmologii najściślej związaną z fizyką cząstek jest badanie Wielkiego Wybuchu, gigantycznej eksplozji, która stworzyła całą materię we wszechświecie i czasoprzestrzeń, z której składa się sam wszechświat. Wielki Wybuch zaczął się jako punkt o nieskończonej gęstości i zerowej objętości: osobliwość. Następnie szybko rozszerzył się do wielkości jądra atomowego, w którym odgrywa rolę fizyka cząstek. Aby zrozumieć, w jaki sposób najwcześniejsze momenty Wielkiego Wybuchu wpłynęły na wszechświat w obecnej postaci, musimy wykorzystać to, co wiemy o fizyce cząstek, aby stworzyć prawdopodobne modele kosmologiczne.
Jedną z motywacji do tworzenia coraz potężniejszych akceleratorów cząstek jest przeprowadzanie eksperymentów, które symulują warunki fizyczne jak najwcześniej w historii wszechświata, kiedy wszystko było bardzo zwarte i gorące. Kosmolodzy muszą być dobrze zaznajomieni z fizyką cząstek, aby wnieść znaczący wkład w tę dziedzinę.
Kolejnym kluczem do zrozumienia związku między fizyką cząstek a kosmologią jest przyjrzenie się badaniu czarnych dziur. Fizyczne właściwości czarnych dziur są istotne dla długoterminowej przyszłości kosmosu. Czarne dziury są zapadniętymi gwiazdami o tak ogromnej grawitacji, że nawet światło nie może ich uchwycić. Przez pewien czas uważano, że czarne dziury nie emitują promieniowania i byłyby wieczne, paradoks dla fizyków. Ale Stephen Hawking wysunął teorię opartą na spostrzeżeniach z fizyki cząstek, że czarne dziury rzeczywiście emitują promieniowanie, które później nazwano promieniowaniem Hawkinga.
Fizyka cząstek jest również bardzo istotna w badaniach ciemnej materii, niewidzialnej materii, której istnienie znane jest z jej grawitacyjnego wpływu na widzialną materię i ciemnej energii, tajemniczej siły, która przenika wszechświat i powoduje jego ekspansję. To są kluczowe pytania we współczesnej kosmologii.