To właśnie kosmologia pozwoliła
nam na określenie czym jest
Wszechświat. „Wszechświat to
wszystko, co istnieje – materia,
przestrzeń, energia i czas.
Znajdują się w nim

gwiazdy

,

planety

i inne obiekty kosmiczne.” Inaczej mówiąc
Wszechświat zwany także Kosmosem jest
przestrzenią wraz ze znajdującą się w niej
materią, która w jakikolwiek sposób może
oddziaływać na nas (lub my na nią)
w przeszłości, obecnie, lub w przyszłości.
Rozwój idei pozwala nam na stwierdzenie,
że być może istnieje jeszcze coś poza
obserwowalnym Wszechświatem, co
prowadzi do podziału definicji
Wszechświata na dwie części: Kosmosu
ograniczonego do tego co obserwowalne,
lub w odniesieniu do całej przestrzeni i
czasu, w której może istnieć wiele innych
Wszechświatów.

Starożytni Grecy stworzyli system zakładający, że Wszechświat

zbudowany jest z Ziemi, obieganej dookoła przez planety, Księżyc i
Słońce, a na zewnątrz otoczonej sferą gwiazd stałych. System ten został
nazwany systemem geocentrycznym (z greckiego „Geo” - Ziemia i
„Centrum” - środek). Koncepcja ta ulegała licznym przekształceniom.
Dość szybko astronomowie zorientowali się, że założenie, jakoby planety
obiegały Ziemię po orbitach o kształcie okręgów jest sprzeczne z
wynikami obserwacji astronomicznych. Rozwiązanie tego problemu (bez
rezygnacji z centralnego położenia Ziemi) znalazł grecki matematyk i
astronom - Euksodos z Knidos. Następnie pojawił się Hipparach z Rodos.
Był zwolennikiem geocentryzmu, choć odrzucił teorię sfer
homocentrycznych (krążących wokół Ziemi). Stworzył on teorię zwaną
teorią epicykli i deferentów. Głosiła ona, że „Ziemia znajduje się w środku
deferentu, a krążąca dokoła niej planeta - na obwodzie epicykla, którego
środek porusza się ruchem jednostajnym po obwodzie deferentu, a ten z
kolei takim samym ruchem obraca się dokoła nieruchomego globu
ziemskiego.”

Ostateczny kształt tej teorii nadał grecki geograf i astronom

Klaudiusz Ptolemeusz, żyjący w Aleksandrii w II w n.e. W modelu
Ptolemeusza po orbitach kołowych zwanych deferentami poruszają się
mniejsze okręgi, zwane epicyklami, a dopiero po nich poruszają się
planety (teoria zawarta w dziele „Almagest”). Początkowo teoria ta
przyjmowana była z oporami, później na wiele wieków zyskała
popularność, gdyż jej zaletą była możliwość prostego i w miarę
dokładnego wytłumaczenia zjawisk astronomicznych. Została obalona
przez Mikołaja Kopernika.

Dalsze obserwacje astronomiczne wykazały,

że system geocentryczny nie jest idealnie
zgodny z rzeczywistością. Konieczne stawało się
dodawanie kolejnych epicykli, co doprowadziło
do tego, że system stawał się coraz bardziej
skomplikowany.

Pierwszą

osobą,

która

zaproponowała

model

heliocentryczny

(z

greckiego „Helios” - Słońce) był żyjący w II w.
p.n.e. Arystarch z Samos. Zauważył on, że
dziwne zachowanie planet można wyjaśnić
przez umieszczenie w centrum Wszechświata
nie Ziemi, a Słońca. Teoria ta dobrze tłumaczyła
zjawiska obserwowane na niebie, jednak nie
została przyjęta, ponieważ wyprzedzała swoje
czasy.

Po Arystarchu z Samos model
heliocentryczny został
zapomniany na siedemnaście wieków.
Na nowo odkrył go dopiero polski
uczony - Mikołaj Kopernik (1473-1543).
Stworzony przez niego system i
przedstawiony w dziele pt. "De
revolutionibus orbium coelestium" („O
obrotach ciał niebieskich”) zakładał, że
w środku Wszechświata znajduje się
nieruchome Słońce. Dookoła niego po
kołowych orbitach poruszają się
planety i Ziemia. System ten
przypomina model zaproponowany
przez Arystarcha z Samos, lecz
Kopernik dokładniej dopracował swój
pomysł. Nie zrezygnował całkowicie ze
stosowania epicykli - jego system
zawierał ich znacznie mniej i był
prostszy od geocentrycznego systemu
Ptolemeusza.

Arystarch z Samos

System heliocentryczny przywrócił astronomii prostotę,
mimo to miał wielu przeciwników. Trzeba też pamiętać, że
w czasach Kopernika teoria Ptolemeusza cieszyła się
wielkim autorytetem wspieranym przez Kościół.
Także inny uczony – Galileusz, „stwierdził obrót Słońca
dookoła osi a więc to, co było określone i przewidziane w
teorii M. Kopernika. Pomimo, że trybunał inkwizycyjny
zabronił głoszenia teorii heliocentrycznej w 1615,
Galileusz w 1623 wydał „Dialog o dwu najważniejszych
układach świata: ptolemeuszowym i kopernikowym.”

Odrzucenie teorii epicykli stało się możliwe dopiero kiedy
przyjęto, że tory planet nie są okręgami lecz elipsami.
Orbity eliptyczne wprowadził niemiecki astronom i
matematyk Johannes Kepler. Sformułował on trzy prawa,
zwane od jego nazwiska prawami Keplera, opisujące ruch
planet we Wszechświecie.

Planety poruszają się po
orbitach eliptycznych,
przy czym Słońce
znajduje się w jednym z
ognisk elipsy.

Jan Kepler

Dla danej planety stałą
wielkością jest jej tzw.
prędkość polowa (tj. pole
powierzchni figury
ograniczonej łukiem elipsy
zakreślanym przez planetę w
jednostce czasu i
odległościami od końców łuku
do ogniska).

Jan Kepler

Kwadraty okresów
obiegów planet wokół
Słońca są proporcjonalne
do trzecich potęg ich
średnich odległości od
Słońca.

Jan Kepler

Model stworzony przez Kopernika i
Keplera daje dobry opis ruchu ciał
niebieskich. Nie mówi on jednak
nic o przyczynie tych ruchów.
Hipotezę, że Wszechświat stanowi
jedność, i że zachowanie kuli
armatniej opisują te sama prawa,
które opisują również ruchy planet,
jako pierwszy wysunął Isaac
Newton (1643-1727). Uczony ten
doszedł do wniosku, że skoro
planety poruszają się po elipsach
to prawdopodobnie działa na nie
jakaś siła, zakrzywiająca ich tor.
Newton domyślił się, że źródłem tej
siły jest Słońce. Nazwał je siłami
grawitacji, czyli wzajemnego
przyciągania.

Isaac Newton (1643-
1727).

Ocenia się, że Wszechświat powstał
kilkanaście miliardów lat temu w wyniku
Wielkiego Wybuchu. Teoria Wielkiego
Wybuchu zakłada, że w przeszłości cała
materia i energia składające się na
Wszechświat znajdowały się w
nieskończenie małym obszarze. Gdy
powstał w wyniku Wielkiego Wybuchu, był
zupełnie odmienny od dzisiejszego
Wszechświata zawierającego planety,
gwiazdy i galaktyki. Bardzo wczesny
Wszechświat był ognistą kulą
promieniowania, z której powstała później
pierwsza generacja gwiazd

Wg modelu Wielkiego
Wybuchu
Wszechświat wyłonił
się z bardzo gęstego i
gorącego stanu (na
dole). Od tamtej pory
sama przestrzeń
rozszerzała się z
biegiem czasu,
odsuwając od siebie
galaktyki

Cała materia znajdująca się we Wszechświecie pogrupowana jest w struktury.
Gwiazdy - tworzą skupiska zwane gromadami,

te z kolei tworzą galaktyki , podobnie jak gwiazdy, zebrane są w gromady
galaktyk, te zaś tworzą supergromady.

Supernowa – gwiazda odległa o
170000 lat świetlnych.

Przykładowe galaktyki

W skład Kosmosu oprócz Słońca i Ziemi wchodzi osiem
pozostałych planet - Merkury, Wenus, Mars, Jowisz,
Saturn, Uran, Neptun, Pluton; księżyce planet (w tym nasz
Księżyc), planetoidy, komety, meteory oraz pył i gaz
międzyplanetarny.

Czarne dziury - nikt nie wie ile jest czarnych
dziur. Niektórzy astronomowie sądzą, że czarna
dziura może znajdować się w centrum naszej
Galaktyki oraz, że istnieją one w odległych
kwazarach. Mogły by one powstawać w zwartych
grupach gwiazd zwanych gromadami kulistymi  

Wizja artystyczna czarnej
dziury z polem
magnetycznym otoczona
wirującym dyskiem
materii.

Galaktyka Cyrkla. Na
zdjęciu - gorący gaz
(kolor różowy) jest
wyrzucany ze środka
spiralnej galaktyki.

Dysk pyłowy wokół
czarnej dziury w
obszarach
centralnych
galaktyki NGC 4261.

Czerwone olbrzymy - wszystkie gwiazdy przy końcu
swego życia ,,puchną" i stają się czerwonymi olbrzymami
lub gigantami. Gdy Słońce stanie się czerwonym
olbrzymem będzie tak duże, że ,,połknie" Merkurego,
Wenus i Ziemię. Stanie się to za prawie 5000 milionów lat.

Gwiazdy neutronowe i pulsary - po supernowej może
pozostać maleńka, niesłychanie szybko wirująca gwiazda
neutronowa. Niektóre zwane pulsarami wysyłają wąską
wiązkę fal radiowych, która ,,omiata" wokół przestrzeń w
miarę obrotów gwiazdy. Wydaje się ona gasnąć i
ponowniae włączać jak latarnia morska, i może być
odbierana tylko wtedy gdy jest skierowana w naszą
stronę.

Mgławica Kraba - zdjęcie z kosmicznego
teleskopu Hubble'a. W mgławicy tej
znajduje się pulsar (na lewo od dwóch
centralnie ułożonych jasnych gwiazd,
blisko lewego dolnego rogu zdjęcia).

Pulsar NGC 6397 w
układzie podwójnym z
czerwonym olbrzymem.

Kwazary - kwazary mogą być bardzo młodymi
galaktykami. Wyglądają one jak gwiazdy, ale wydają się
być bardziej odległe, mniejsze i jaśniejsze niż większość
galaktyk. nikt nie wie jeszcze w jaki sposób tak mały
obiekt może wytwarzać tak wiele energii.

,,Skrzyżowanie" orbit - przez większość czasu Pluton
jest planetą najbardziej oddalony od Słońca, lecz co jakiś
czas znajduje się bliżej słońca niż Neptun. Choć ich drogi
pozornie się przecinają, te dwie planety nigdy się nie
zderza, ponieważ płaszczyzny ich orbit są od siebie
znacznie oddalone.  

Pluton

Neptun

Na początku XX wieku uważano, że cały wszechświat zbudowany jest
z 92 pierwiastków atomowych. Później odkryto, iż atomy zbudowane
są z jądra i krążących wokół niego elektronów. W następnym etapie
poznawania struktury wszechświata okazało się, że owe jądro składa
się z jeszcze mniejszych cegiełek – protonów i neutronów. Dalsze
odkrycia ujawniły istnienie wielu innych cząstek elementarnych i jak
uważano wówczas nie posiadających wewnętrznej struktury takich
jak: bariony, mezony, leptony oraz tak zwane cząstki rezonansowe.
Już w latach sześćdziesiątych XX wieku znanych było ponad 100
cząstek elementarnych, a w chwili obecnej znanych jest kilkaset. Fakt
istnienia tylu cząstek elementarnych i występowania regularności
między nimi doprowadził uczonych do hipotezy, że owe cząstki
elementarne w istocie nimi nie są, lecz składają się z jeszcze
mniejszych cząstek – cząstek fundamentalnych. I tak pojawił się
model kwarków (zwany również Modelem Standardowym) jako
składników protonu, neutronu, barionów, mezonów oraz wszystkich
cząstek rezonansowych. Mimo ewidentnego potwierdzenia
eksperymentalnego istnienia struktury cząstek elementarnych, ze
względów historycznych nadal wykorzystuje się nazwę cząstki
elementarne do określenia tej grupy cząstek.

 

Cząstki fundamentalne dzielimy na dwie podstawowe grupy (rys.
2.2.1). Pierwszą grupę stanowią cząstki materii - na którą składają się
leptony oraz kwarki, zaś drugą grupę stanowią nośniki oddziaływań.

Leptony – fundamentalne cząstki elementarne, fermiony o spinie 1/2
(w jednostkach stałej Plancka), nie oddziałujące silnie, ale
oddziałujące słabo za pośrednictwem bozonów , i . Niektóre
leptony (np.: elektron) oddziałują elektromagnetycznie. Leptony
grupuje się w trzy generacje scharakteryzowane odpowiadającą im
liczbą leptonową

Kwarki - fundamentalne cząstki elementarne
oddziałujące silnie oraz słabo i elektromagnetycznie. Są
fermionami o spinie 1/2 (w jednostkach stałej Plancka),
posiadają ułamkowe ładunki elektryczne. Istnieje sześć
rodzajów kwarków zwanych zapachami: górny - u, dolny -
d, dziwny - s, powabny - c, piękny - b oraz prawdziwy - t.
Podobnie jak w przypadku leptonów wyróżnia się trzy
generacje kwarków: I generacja - u i d, II generacja - c i s i
III generacja - t i b (rys. 2.2.4). Analogiczne generacje
można utworzyć z odpowiednich antykwarków
zamieniając wartości odpowiednich liczb kwantowych na
przeciwne.

  

Cząstki elementarne, jak już wcześniej wspomniano, posiadają

strukturę wewnętrzną. Zbudowane są z jeszcze mniejszych cząstek –
kwarków, jednak ze względów historycznych nazywane są dalej
cząstkami elementarnymi. Cząstki elementarne dzielimy na dwie
rodziny: są nimi bariony i mezony. Odkryty ostatnio pentakwark
należałby już do kolejnej trzeciej rodziny cząstek elementarnych.
Przed pojawieniem się modelu kwarków za cząstki elementarne
uważano również leptony oraz bozony pośredniczące

Bariony – hadrony posiadające niezerową liczbę barionową B, są
fermionami o spinie 1/2, 3/2 (w jednostkach stałej Plancka),
zbudowane są z trzech kwarków (antybariony z trzech
antykwarków). Barionami są między innymi proton, neutron,
hiperony oraz odpowiadające im antycząstki. Bariony grupuje się w
ścieżkę ośmiokrotną, która jest schematem klasyfikacji dla cząstek
elementarnych

Mezony – hadrony o zerowych liczbach barionowej
i leptonowej, są bozonami o spinie równym 0, 1 (w
jednostkach stałej Plancka), zbudowane są z pary kwark –
antykwark. Zazwyczaj mezony danego typu występują
w kilku stanach ładunkowych (obojętne, ujemnie lub
dodatnio naładowane). Mezony jednakowego typu, ale
o przeciwnych ładunkach są wzajemnie swoimi
antycząstkami, zaś mezony neutralne bywają swoimi
własnymi antycząstkami.

Pentakwark – cząstka złożona z pięciu kwarków (dwóch górnych,
dwóch dolnych i antykwarka dziwnego), mająca masę 1,54 ,
której istnienie jako pierwszy przewidział polski fizyk Michał
Praszałowicz w 1987 roku. Pentakwarki są bardzo nietrwałe -
rozpadają się na neutron oraz kaon po upływie sekundy.
Odkryty w 2003 roku pentakwark może okazać się pierwszą z całej
rodziny pięciokwarkowych cząstek. Odkrycia dokonały dwa
niezależne zespoły fizyków: Takashi Nakano w synchrotronie SPring-
8 w pobliżu Kobe (Japonia) oraz Kena Hicksa w akceleratorze
laboratoriów Jeffersona w Newport News (USA).