Какова связь между физикой частиц и космологией?

Существует тесная взаимосвязь между областями физики элементарных частиц и космологии, примером чего служит длинная линия физиков, работающих в обоих направлениях: Альберт Эйнштейн, Стивен Хокинг, Кип Торн и многие другие. Космология - это изучение Вселенной и ее структуры, в то время как физика элементарных частиц - это изучение фундаментальных частиц, таких как кварки и фотоны, самые маленькие из известных объектов. Хотя поначалу они могут казаться настолько несвязанными, насколько это возможно, космология и физика элементарных частиц на самом деле тесно связаны.

В отличие от сложных систем на Земле, которые можно описать с помощью объяснений более высокого уровня, а не свойств, возникающих на самых низких уровнях, межгалактические и космологические явления сравнительно проще. Например, на огромных расстояниях в космосе только одна из четырех сил природы имеет какое-либо реальное влияние: гравитация. Хотя звезды и галактики очень далеко и во много раз больше нас самих, у нас есть удивительно точная картина их работы, основанная на фундаментальных физических законах, которые направляют составляющие их частицы.

Область космологии, наиболее тесно связанная с физикой элементарных частиц, - это изучение Большого взрыва, гигантского взрыва, который создал всю материю во вселенной и пространство-время, из которого состоит сама вселенная. Большой Взрыв начался как точка почти бесконечной плотности и нулевого объема: особенность. Затем он быстро расширился до размеров атомного ядра, где физика частиц вступает в игру. Чтобы понять, как самые ранние моменты Большого взрыва влияли на вселенную, какой она является сегодня, мы должны использовать то, что мы знаем о физике элементарных частиц, для создания правдоподобных космологических моделей.

Одним из мотивов создания еще более мощных ускорителей частиц является проведение экспериментов, которые имитируют физические обстоятельства как можно раньше в истории Вселенной, когда все было очень компактно и жарко. Космологи должны хорошо разбираться в физике элементарных частиц, чтобы внести значительный вклад в эту область.

Другим ключом к пониманию связи между физикой элементарных частиц и космологией является изучение черных дыр. Физические свойства черных дыр имеют отношение к долгосрочному будущему космоса. Черные дыры - это свернутые звезды с такой огромной гравитацией, что даже свет не может вырваться из их рук. Некоторое время считалось, что черные дыры не испускают излучение, и это было бы вечным парадоксом для физиков. Но Стивен Хокинг предположил, основываясь на выводах физики элементарных частиц, что черные дыры действительно испускают излучение, которое впоследствии было названо излучением Хокинга.

Физика частиц также очень важна для исследований темной материи, невидимой материи, существование которой известно благодаря ее гравитационному воздействию на видимую материю, и темной энергии, таинственной силе, которая пронизывает вселенную и ускоряет ее расширение. Это центральные вопросы современной космологии.