Vad är förhållandet mellan partikelfysik och kosmologi?
Det finns ett intimt förhållande mellan områdena partikelfysik och kosmologi, som exemplifierades av en lång rad fysiker som arbetar i båda samtidigt: Albert Einstein, Stephen Hawking, Kip Thorne och många andra. Kosmologi är studiet av universum och dess struktur, medan partikelfysik är studiet av grundläggande partiklar som kvarkar och fotoner, de minsta kända föremål. Även om de till en början kan verka lika oanslutna som vad som helst kan vara, är kosmologi och partikelfysik faktiskt nära kopplade.
Till skillnad från de komplexa systemen på jorden, som mycket kan beskrivas med hjälp av förklaringar på högre nivå snarare än egenskaper som kommer från de lägsta nivåerna, är intergalaktiska och kosmologiska fenomen jämförelsevis enklare. Till exempel, i de stora rymden av avstånd, har bara en av de fyra naturkrafterna något verkligt inflytande: tyngdkraften. Även om stjärnor och galaxer är mycket långt borta och många gånger större än oss själva, har vi en anmärkningsvärt noggrann bild av hur de fungerar, härrörande från grundläggande fysiska lagar som styr deras beståndsdelar.
Kosmologins domän som är mest kopplad till partikelfysiken är studien av Big Bang, den gigantiska explosionen som skapade allt material i universum och den rymdtid som universumet själv består av. Big Bang började som en punkt för nästan oändlig densitet och nollvolym: en singularitet. Sedan expanderade det snabbt till storleken på en atomkärna, som är där partikelfysiken spelar in. För att förstå hur de tidigaste ögonblicken av Big Bang påverkade universum som det är idag, måste vi använda det vi vet om partikelfysik för att skapa rimliga kosmologiska modeller.
En av motivationerna för att skapa allt kraftigare partikelacceleratorer är att genomföra experiment som simulerar de fysiska omständigheterna så tidigt som möjligt i universums historia, när allt var mycket kompakt och hett. Kosmologer måste ha god kunskap om partikelfysik för att kunna ge betydande bidrag till fältet.
En annan nyckel till att förstå förhållandet mellan partikelfysik och kosmologi är att titta på studien av svarta hål. De fysiska egenskaperna hos svarta hål är relevanta för kosmos långsiktiga framtid. Svarta hål är kollapsade stjärnor med så enorm tyngdkraft att inte ens ljus kan undgå deras grepp. En stund trodde man att svarta hål inte gav ut någon strålning och skulle ha varit evigt, en paradox för fysiker. Men Stephen Hawking teoretiserade, baserat på insikter från partikelfysik, att svarta hål verkligen avger strålning, som därefter kallades Hawking-strålning.
Partikelfysik är också mycket relevant för undersökningar av mörk materia, osynlig materie vars existens är känd på grund av dess gravitationspåverkan på synlig materia och mörk energi, en mystisk kraft som genomsyrar universum och får dess expansion att accelerera. Dessa är centrala frågor i modern kosmologi.