Menu Close

Masalah Philosophy Kosmologi

Masalah Philosophy Kosmologi

diodati Kosmologi telah membuat kemajuan luar biasa dalam beberapa dekade terakhir. Namun sekarang menghadapi beberapa masalah fisik mendasar dan masalah matematika. Selain tantangan ilmiah ini, banyak kosmologi modern bergantung pada asumsi filosofis yang tidak diperhatikan, tidak teruji, atau tidak dapat diandalkan.

Masalah Philosophy Kosmologi – Dalam survei yang luas tentang fondasi filosofis kosmologi ini, George Ellis menyoroti isu-isu kritis yang menopang kosmologi fisik sebelum menguraikan pendekatan metafisiknya untuk memahami sifat kosmos.

Masalah Philosophy Kosmologi

Masalah Philosophy Kosmologi

Kosmologi telah membuat langkah besar sebagai ilmu fisika sejak Einstein mengusulkan model kosmologis kuantitatif pertama pada tahun 1917 ketika bahkan sifat galaksi tidak diketahui.

Di satu sisi, kosmologi telah berkembang menjadi ilmu yang matang dengan model matematika dan numerik (komputer) canggih yang didukung oleh sejumlah besar pengamatan dan analisis data. Kami sekarang memahami banyak tentang ekspansi dan evolusi alam semesta. Di sisi lain, kosmologi harus melibatkan mendorong sifat penyelidikan ilmiah ke batas, di mana asumsi filosofis daripada eksperimen dan data mulai membentuk teori.

Isu-isu filosofis penting dalam kosmologi muncul baik dalam arti sempit maupun luas. Arti sempit adalah domain dari Kosmologi Fisik . Pengertian yang lebih luas adalah tentang sifat kosmologi yang lebih luas : hubungannya dengan makna dan tujuan dan hubungannya dengan kehidupan seperti yang dipahami oleh masyarakat selama berabad-abad . Untuk membedakan ini dari Kosmologi Fisik , saya akan menyebut studi ini lebih luas Kosmologia . Saya akan melihat mereka secara bergantian.

Kosmologi Fisik

Kosmologi fisik adalah studi tentang sifat alam semesta fisik pada skala terbesar: apa yang ada? Apa yang sedang dilakukannya? Bagaimana itu bisa menjadi apa adanya? Ini adalah ilmu yang dapat diuji, didukung oleh banyak pengamatan yang sangat canggih. Kita hidup di galaksi (gambar 1 kiri) yang terdiri dari miliaran bintang, yang kita lihat sebagai Bima Sakti pada malam yang cerah. Alam semesta terdiri dari miliaran galaksi yang membentuk kelompok besar (gambar 1 kanan) yang tersusun menjadi lembaran dan dinding yang luas.

Ahli kosmologi memiliki model geometri dan evolusi alam semesta yang terlihat sangat sukses, dari tahap awal Hot Big Bang hingga era sekarang. Tapi modelnya bermasalah. Serangkaian masalah filosofis mendasari masalah ini. Untuk memahami mereka sepenuhnya, seseorang harus mengikuti fisika dan astronomi dalam beberapa detail.

Alam semesta berkembang seiring waktu

Pengamatan galaksi jauh menetapkan bahwa alam semesta berubah seiring waktu – skala keseluruhannya meningkat ketika galaksi bergerak semakin jauh dari satu sama lain. Buktinya jelas: galaksi rata-rata bergerak menjauh dari kita, dan kecepatan resesi meningkat seiring jarak, hasil yang awalnya ditetapkan oleh Georges Lemaître dan Edwin Hubble antara tahun 1917 dan 1929. Alam semesta adalah alam semesta yang dinamis. Evolusinya [1] diatur oleh hukum fisika, yang sama di mana-mana dan tidak terpengaruh oleh keberadaan kita. Ini adalah Prinsip Ketidakpedulian Pertama : manusia tidak dapat mempengaruhi evolusi alam semesta. Ini adalah apa itu.

Ada dua gaya jarak jauh: elektromagnetisme dan gravitasi. Tetapi elektromagnetisme memiliki muatan positif dan negatif yang saling menghilangkan dalam skala besar, sehingga tidak memiliki efek jangka panjang. Karena gravitasi adalah satu-satunya gaya jarak jauh yang hanya memiliki muatan positif (dalam kasus gravitasi, muatannya adalah apa yang kita sebut “massa”), gravitasi mengontrol bagaimana alam semesta berevolusi seiring waktu. Hasil kosmologis tergantung pada jenis materi dan energi yang ada. Dalam lingkaran kausal tertutup, geometri ruang-waktu mengontrol perubahan kerapatan materi dengan waktu dan memberi tahu materi bagaimana bergerak, dan materi memberi tahu geometri ruang-waktu bagaimana berubah seiring waktu.

Baca Juga : Mengenal Filosofi Dark Skies

Patut dicatat bahwa semua pemikir terbesar pada saat kosmologi pertama kali diselidiki secara ilmiah (1917-1931) diasumsikan sebagai fakta yang tidak perlu dipertanyakan lagi bahwa alam semesta pasti tidak berubah dengan waktu: ia harus statis. Ini adalah kesalahan terbesar Einstein; dia memberi tahu Alexander Friedmann dan Georges Lemaître , yang secara independen menemukan kemungkinan ekspansi, bahwa mereka salah. Namun, Einstein yang salah – perubahan seiring waktu adalah fitur inti alam semesta.

Model dasar evolusi kosmik

Jadi apa sifat evolusi dinamis Semesta? Ini bukan hanya masalah geometris. Ini melibatkan serangkaian interaksi fisik utama yang telah membentuk apa yang ada saat ini. Apa yang terjadi pada asal mula alam semesta tidak diketahui. Tidak lama kemudian, dimulailah periode yang sangat singkat dari ekspansi percepatan yang luar biasa cepat (“ inflasi ”) yang mencairkan dan mendinginkan materi apa pun yang ada pada saat itu. Ini diikuti oleh pemanasan ulang dan kemudian zaman Big Bang Panas ketika materi dan radiasi berinteraksi dengan kuat, sehingga alam semesta tidak tembus cahaya terhadap radiasi. Nukleosintesis primordialterjadi, yang mengarah pada keberadaan helium dan jejak deuterium dan litium selain hidrogen. Kemudian pemisahan materi dan radiasi terjadi, dan Semesta menjadi transparan terhadap radiasi pada Last Scattering Surface (LSS) yang memancarkan Radiasi Benda Hitam Kosmik (CBR) yang kita deteksi hari ini pada suhu yang sangat rendah yaitu 2,75K (-270 °C) .

Fluktuasi kuantum selama era inflasi menyebabkan fluktuasi kepadatan yang sangat kecil yang menjadi dasar ketidakstabilan gravitasi yang menyebabkan bintang dan galaksi muncul setelah sekitar 400 juta tahun. Beberapa bintang besar berevolusi dengan sangat cepat dan kemudian meledak, menyebar melalui unsur-unsur ruang angkasa yang berat seperti karbon dan oksigen yang telah terbentuk di bagian dalamnya oleh nukleosintesis bintang . Ini membentuk dasar keberadaan bintang generasi kedua yang dikelilingi oleh planet tempat kehidupan dapat terbentuk. Sementara perluasan alam semesta melambat selama era Big Bang Panas dan untuk waktu yang lama setelahnya, belakangan ini telah dipercepat karena beberapa bentuk energi negatif yang disebut energi gelap.. Sifatnya tidak diketahui: itu mungkin hanya konstanta kosmologis – gaya tolak konstan yang diusulkan oleh Einstein pada tahun 1917.

Tidak ada yang bisa dibandingkan dengan alam semesta

Astronomi dan kosmologi adalah ilmu observasional daripada ilmu eksperimental karena kita tidak dapat melakukan eksperimen pada bintang atau galaksi atau pada Semesta semata . Kami tidak dapat menjalankan ulang Semesta dengan kondisi awal yang sama atau berbeda untuk melihat apakah semuanya berjalan secara berbeda. Bahkan tidak masuk akal untuk berbicara tentang hukum untuk alam semesta karena sifat alami dari hukum adalah bahwa ia berlaku untuk banyak objek dan tidak ada alam semesta lain yang dapat diterapkan oleh hukum. Lebih jauh lagi, kosmologi adalah unik di antara ilmu-ilmu observasional karena kita tidak dapat membandingkan Alam Semesta dengan objek-objek serupa, seperti halnya dalam kasus gunung atau bintang atau galaksi atau gajah. Meskipun kita dapat melakukan banyak pengamatan, hanya ada satu Alam Semesta untuk kita amati.

Yang bisa kita lakukan adalah membuat berbagai model matematis Semesta dan membandingkan prediksi mereka dengan pengamatan astronomis dari satu Semesta yang benar-benar ada. Kita dapat menjalankan ansambel model tersebut dengan parameter yang berbeda dan melihat hasil prediksi mana yang paling sesuai dengan data pengamatan. Tapi masalahnya adalah ini: jika ada penyimpangan antara pengamatan dan rangkaian model kami, seperti wilayah suhu rendah yang besar di langit Radiasi Latar Belakang Gelombang Mikro Kosmik , apakah kami mengatakan bahwa model kami salah dalam beberapa hal dan bahwa kami harus membangun model yang lebih baik? Atau apakah kita mengatakan bahwa modelnya baik-baik saja karena banyak proses yang terjadi bersifat statistik dan penyimpangan pengamatan dari prediksi model dapat diterima mengingat stokastisitas ini? Ini adalah masalah yang tidak dapat dihindari dariVarians kosmik .

Ukuran alam semesta yang luas membatasi kemampuan kita untuk mengujinya

Alam semesta itu luas. Bagian alam semesta yang terlihat mengandung sekitar 200 miliar (2 × 10^11) galaksi, biasanya berdiameter antara 3.000 hingga 300.000 tahun cahaya . Sebaliknya, jarak ke bulan sekitar 1,2 detik cahaya, ke Matahari 8 menit cahaya, dan ke bintang terdekat (Alpha Centauri) 4,36 tahun cahaya. Jadi, setiap galaksi jauh lebih besar dari Bumi, dan Alam Semesta yang terlihat jauh lebih besar. Manusia sama sekali tidak berarti dibandingkan dengan ukuran Alam Semesta. Ini adalah Prinsip Ketidakpedulian Kedua .

Dari sudut pandang kosmologi yang dianggap sebagai ilmu observasional, ini adalah masalah besar. Kita dapat melakukan perjalanan ke setiap bagian permukaan Bumi untuk melihat apa yang ada di sana, dan kita telah memotret setiap bagian permukaan Bumi dan Bulan dari satelit di luar angkasa. Sebaliknya, kita hanya dapat mengakses bagian yang sangat kecil dari Semesta secara observasional. Kita tidak dapat melakukan perjalanan ke bagian alam semesta yang jauh untuk melihat apa yang ada di sana. Lebih jauh, seluruh keberadaan umat manusia (sekitar 1,8 juta tahun) adalah waktu sekejap dibandingkan dengan usia Alam Semesta (14 miliar tahun).

Karena cahaya merambat kepada kita dengan kecepatan cahaya (3 x 108 m /detik), kita tidak dapat melihat benda-benda seperti sekarang ini. Misalnya, kita melihat galaksi Andromeda seperti 2,5 juta tahun yang lalu. Kami mengamati potret masa lalu yang jauh, bukan masa kini. Dengan demikian kita hanya dapat melihat Semesta dari apa yang secara efektif merupakan satu titik dalam ruang dan satu instan waktu. Kita tidak bisa melihat ke waktu yang lebih awal dari Last Scattering Surface (LSS) karena Alam Semesta saat itu buram.

Semua gambar yang kita lihat diproyeksikan ke bola 2 dimensi (“langit”) [2] . Kita harus menyimpulkan sifat seluruh kosmos dari (i) satu gambar multi-panjang gelombang 2 dimensi melintasi langit
tentang apa yang ada hingga pemisahan materi-radiasi pergeseran merah z*= 1100 dan (ii) tipe data geologis tentang kondisi yang dekat dengan garis dunia masa lalu kita jauh sebelum pemisahan materi-radiasi. Karena itulah penentuan jarak galaksi dan sumber cahaya lainnya merupakan inti kosmologi. Kontribusi besar Hubble adalah memperoleh ukuran jarak yang dapat diandalkan pertama melalui bintang variabel Cepheid . Masalah kita kemudian adalah memisahkan evolusi kosmos dari evolusi sifat-sifat sumber. Kosmologi observasional berpusat pada pencarian lilin standar – keluarga sumber yang dapat dianggap memiliki sifat standar, seperti variabel Cepheid dan supernova Tipe Ia. Tetapi yang menjadi perhatian adalah apakah sifat-sifat itu bisa saja berbeda sejak lama ketika antara lain logam lingkungan setempat berbeda.

Kita tidak berada di pusat alam semesta

Titik awal untuk mengusulkan geometri untuk ruang-waktu adalah bahwa tampaknya tidak ada arah yang disukai di sekitar kita pada skala terbesar. Misalnya, pengamatan galaksi tidak menunjukkan wilayah yang mungkin menjadi Pusat Alam Semesta karena ada lebih banyak galaksi di satu arah daripada yang lain. Jika kita berasumsi bahwa kita bukan pengamat khusus – kita tidak berada di tempat khusus di alam semesta – maka ini berlaku untuk semua pengamat; ada kemungkinan bahwa Semesta tampak hampir isotropik di setiap lokasi. Ini kemudian menjadi teorema matematika bahwa alam semesta juga harus homogen secara spasial (sama di mana-mana pada waktu yang sama). Dengan demikian, kita dapat mengusulkan model Semesta di mana alam semesta mematuhi homogenitas spasial dan isotropi tentang setiap titik. Model seperti itu adalah model latar belakang standar kosmologi dan tidak memiliki struktur skala besar. Untuk mewakili pembentukan struktur (seperti galaksi), kami mengganggu model latar belakang untuk mendapatkan model yang lebih realistis yang mengandung ketidakhomogenan kecil yang tumbuh dari waktu ke waktu menjadi galaksi dan kelompok galaksi.

Secara geometris, model latar belakang ini dicirikan hanya oleh faktor skala a(t) yang bervariasi terhadap waktu, dan konstanta k yang menentukan kelengkungan spasialnya . Konstanta k adalah +1 jika alam semesta memiliki bagian ruang yang melengkung positif dan karenanya tertutup secara spasial (Anda kembali ke titik yang sama jika Anda melanjutkan dengan cara yang tidak menyimpang ke segala arah); k adalah 0 jika alam semesta memiliki bagian ruang yang datar, mematuhi aturan geometri Euclidean; dan k adalah -1 jika memiliki bagian spasial melengkung negatif, dengan garis paralel menyimpang semakin jauh satu sama lain semakin jauh.

Awalnya asumsi Copernicus yang mendasari model-model ini (“alam semesta adalah sama di mana-mana”) hanyalah asumsi filosofis, diadopsi karena memberikan model yang sangat sederhana yang bekerja dengan baik. Sejak itu, berbagai tes observasional telah dikembangkan untuk menentukan apakah alam semesta benar-benar homogen secara spasial pada skala terbesar, dan asumsi tersebut kini telah diubah dari asumsi filosofis yang belum diverifikasi menjadi hasil ilmiah yang teruji secara observasional, yang merupakan kemajuan substansial. Ini menegaskan Prinsip Ketidakpedulian Ketiga : kita bukan pusat Semesta, ia tidak memiliki pusat.

Kami memiliki model yang sangat sukses, tetapi memiliki banyak masalah

Seperti disebutkan di bagian sebelumnya, untuk mempelajari pembentukan struktur, kita harus mempertimbangkan model perturbed yang menunjukkan penyimpangan kecil dari homogenitas spasial. Model-model ini mengarah pada prediksi tentang bagaimana pembentukan struktur dibentuk oleh evolusi model latar belakang. Prediksi ini mengarah pada cara menguji model latar belakang tersebut dengan berbagai pengamatan: bagaimana pergeseran merah galaksi bervariasi dengan jarak; dengan Pengamatan Radiasi Latar Belakang Gelombang Mikro Kosmik yang menentukan suhu CMB, spektrum, anisotropi, dan polarisasi; dengan pengamatan galaksi memberikan spektrum kekuatan materi (berapa banyak struktur yang ada pada skala yang berbeda, yang kami bandingkan dengan studi numerik tentang pembentukan struktur); serta dengan pengukuran kelimpahan unsur primordial.

Semua pengamatan ini bertemu untuk menentukan seperangkat parameter kosmologis yang sama , yang merupakan dasar dari apa yang sering disebut sebagai Model Standar kosmologi Big Bang . Parameter ini menunjukkan bahwa alam semesta hampir datar secara spasial, dengan kerapatan energinya terdiri dari sekitar 68,3% energi gelap, 26,8% materi gelap non-baryonic (tidak sama dengan materi biasa), dan 4,9% materi biasa (baryonic). Sudah diterima secara luas bahwa hingga variasi kecil dalam parameter ini, ini adalah model yang sangat baik dari Semesta tempat kita hidup.