Kosmologie is de wetenschap die de structuur, evolutie en oorsprong van het Heelal bestudeert. Hierbij beschouwt men het Heelal als een object, een eenheid, die men tracht te beschrijven en te doorgronden. De enorme verscheidenheid aan objecten en structuren die onze Kosmos bevolken -- kometen, planeten, sterren, zelfs sterrenstelsels -- zijn hierbij van secundair belang. In concreto denken we heden ten dage dus aan het Heelal op schalen van Gigaparsecs, op een schaal vergelijkbaar met de Hubble straal, effectief de afmeting van het zichtbare Heelal.

Map of the Universe:
the first year Microwave Background Map obtained by the WMAP satellite.

De Kosmologie is met enig recht een van de oudste takken van de sterrenkunde te noemen. De oorsprong van onze wereld is een vraag die de mensheid al minstens sinds de dageraad van de beschaving heeft bezig gehouden. Het is blijkbaar een diepe drijfveer van de mens om zich af te vragen wat de oorsprong van zijn wereld, en impliciet dus zijn eigen bestaan is. De zoektocht naar de fundamentele eenheid die ten grondslag licht aan de wereld waarin we leven is daarom veel ouder dan de wetenschap zelf. De naam kosmologie vind je daarom ook als menselijke bezigheid in een bredere context, niet alleen wetenschappelijk, maar ook filosofisch en theologisch.

Enkele van de essentiele vragen die de mensheid al hebben bezig gehouden sinds het ontstaan van de menselijk beschaving zijn:

Het zijn bovenstaande vragen, alsmede enkele andere vragen, die nog steeds de kern vormen van de moderne kosmologische zoektocht. Het is zondermeer een van de grootste wetenschappelijke doorbraken van de twintigste eeuw geweest dat men voor het eerst echt zinvolle, wetenschappelijk gefundeerde, antwoorden heeft gevonden op het merendeel van deze millennia oude vragen. In feite is het verbazingwekkend en intrigerend dat we ueberhaupt in staat zijn het Heelal zo grondig te begrijpen - en te verklaren - een opmerking die al door Einstein werd gemaakt.

Samenhangend met de stadia van menselijke evolutie kunnen we een gestage evolutie in het beeld van de ons omringende wereld, en onze rol daarin, herkennen. De aanvankelijk animistische kijk op de wereld in de tijd van de jagers/verzamelaars, waarin de gehele natuur werd bevolkt en beheerst door geesten kenschetsen we als het tijdperk van het Magische Heelal. Met de opkomst van de landbouw zien we het ontstaan van meer complexe samenlevingen die duidelijk appelleren aan een meer geordende natuur. Het zijn vervolgens de priesters en profeten die een degelijk gefundeerd en geordend wereldbeeld opzetten, dat van het Mythische Heelal, die meestal zijn oorsprong vindt in een Goddelijke wereld buiten de macht van de mens. Het is in dit ontwikkelings stadium waarin zich de nog steeds voor ons zo bekende kosmologische mythen hun oorsprong vinden. Het Gilgamesh Epos van de Sumeriers, de Popol Vuh van de Maya's en natuurlijk de voor onze westerse beschaving nog altijd diep aansprekende beeld van het Judeo-Christelijke Genesis.

Ergens rond de 6e eeuw voor Christus gebeurt er iets. Het is nog steeds niet duidelijk hoe, en waarom. De menselijke geest maakt zich los van bovennatuurlijke en ongrijpbare machten, en begint te speculeren over een veel machtiger ordening in de natuur, een ordening ontdaan van willekeur. Een natuur van harmonie en symmetrie ... de wetenschap wordt geboren, ergens aan de Ionische kusten van de toenmalige Griekse wereld openen de geesten zich voor de eerste stappen richting het ontrafelen van de werkelijke krachten die het Heelal beheersen. Het is deze nog immer verbazingwekkende en reusachtige schrede van de oude Grieken, in de vorm van de Griekse Filosofie, die met we kunnen zien als de eerste stap naar een Wetenschappelijke Kosmologie. Vooralsnog ontbloot van experimentele en observationele rechtvaardiging was de fundamentele stap die van het herkennen van een wiskundige ordening die ten grondslag lag aan de natuur. Het zijn de giganten zoals Anaximander, Plato en Pythagoras die terecht kunne worden aangemerkt als de eerste echte kosmologen. Als we een plaats moeten kiezen, dan is het Miletus, een Griekse stad in Klein-Azie, waar eind 7e-6e eeuw voor Christus het inzicht doorbreekt van een natuurlijke en wiskundige ordening. Thales, Anaximander en Anaximenes ... zij openen de zoektocht die ons uiteindelijk naar de Hot Big Bang leidt.

Dit principe, dit element, is de ``Apeiron''. Via de fundamentele stelling van Pythagoras dat wiskunde ten grondslag ligt aan de ordening van onze wereld, zo treffend uitgewerkt in de kosmologie van Plato's Timaeus, duurde het bijna twee millennia voordat Copernicus, Galilei en Newton er in slaagden dit principe te herkennen en te identificeren in de echte waarneembare realiteit van de kosmos. Nu, zo'n 26 eeuwen na Anaximander, lijkt het er op dat we inderdaad heel erg dicht bij het ontrafelen van de sleutel tot het heelal zijn geraakt. Wat hebben we dan intussen geleerd ?

Het is wellicht veelzeggend dat de eerste stappen naar het succes van de wetenschappelijke Hot Big Bang theorie gezet is in het brein van de mens. De waarnemingen die de eerste aanwijzingen voor de juistheid van dit beeld van een expanderend heelal ontdekten, Hubble's ontdekking van de recessie van de sterrenstelsels (1929), kwamen pas 13 jaar nadat Einstein zijn Algemene Relativiteitstheorie had opgesteld en enkele jaren nadat Friedmann (1925, 1926) en Lemaitre daaruit de volledige klasse van mogelijke heelal modellen hadden afgeleid die een expanderende kosmos impliceerden. Met recht kunnen we nu terugkijken op een gouden eeuw van de kosmologie, waarin de menselijke geest triomfeerde over het schier onmogelijke, een natuurkundige beschrijving opstellen en ontwikkelen voor het onstaan en de evolutie van het universum die door een intussen indrukwekkend arsenaal aan nauwgezette waarnemingen is bevestigd en die naar aanleiding van een aantal overtuigende en verbluffende voorspellingen intussen lijkt verheven tot een modern scheppings-epos:

Het uitgangspunt van de de moderne kosmologie, die van de Big Bang theorie, voert terug op een aantal verbazingwekkend simple aannamen:

• Algemene Relativiteitstheorie van Einstein:
        De kracht die de dynamica, en dus evolutie, van het heelal domineert is de zwaartekracht,
        en deze wordt beschreven door Einstein's Algemene Relativiteitstheorie
  
  
• Kosmologische Principe:
         Heelal is Homogeen
         Heelal is Isotroop

Algemene Relativiteitstheorie
De Algemene Relativiteitstheorie van Einstein is een metrische theorie van de zwaartekracht. Niet langer is er sprake van Newton's kracht op afstand. In plaats daarvan is het de geometrie van de vier-dimensionale ruimte-tijd die er voor zorgt dat een lichaam de juiste geodeet, pad van vrij vallend lichaam, volgt. Een absoluut UNIEK ingredient van de algemene relativiteitstheorie is het feit dat de geometrie van de ruimte-tijd niet langer een statische achtergrond is, maar een organisch geheel vormt met de energie- en massa-inhoud van het heelal. Hoe anders dan de "God-given" onwrikbare Cartesiaanse ruimte van Newton ! De Algemene Relativiteitstheorie voorspelt dus een intrigerende feedback tussen energie- en massa-inhoud en geometrie van ruimte-tijd. De geometrie (kromming) van de ruimte-tijd reageert op de inhoud aan massa en energie. Terwijl die massa en energie weer reageert op de geometrie van de ruimte-tijd door het volgen van het kortste pad, dat wat wij merken als vrije val. Plots werd de kromming van de ruimte-tijd een essentieel en dynamisch onderdeel van de dynamica van het heelal. In termen van de bijbehorende wiskundige formulering, culminerend in Einstein's veldvergelijkingen, leidt dit ons tot wat in mijn ogen tot de grootste en meest indrukwekkende triomfen van de menselijke geest, een formulering bovendien van een oogverblindende schoonheid !

Kosmologische Principe
In de kosmologie keert dit terug in het feit dat we nu moeten kijken naar de geometrie van de ruimte, z'n ``kromming''. Maar hoe kunnen we daar iets zinnigs over zeggen ? Dat is waar we een toevlucht nemen naar een zeer vereenvoudigende aanname, die van het Kosmologische Principe.Het kosmologische principe houdt twee gerelateerde aannamen in. Bedenk hierbij dat we spreken over het heelal op zeer grote schalen, schalen groter dan 150-200 Megaparsec. Op kleinere schaal zien we natuurlijk dat heelal een grote rijkdom en verscheidenheid aan structuur bevat. Gelukkig, voor ons begrip, blijkt dit niet zo te zijn als we dit uitvlakken.

De eerste aanname van het kosmologische principe is dat het heelal isotroop is. Dat betekent dat in welke richting je ook kijkt, het heelal er precies hetzelfde uitziet (en zich hetzelfde gedraagt). We weten nu dat dit tot zeer grote precisie geldt door middel van de Kosmische achtergrondstraling die temperatuurvariaties van slechts 1 op 10⁵ laat zien. Dit wordt bevestigd door dichterbij gelegen samples van astronomische objecten. Als men bv. kijkt naar de verdeling van ver weg gelegen radiostelsels bemerkt men praktisch hetzelfde. Het tweede punt van het kosmologische principe is dat het heelal homogeen is. Dit houdt dus in dat waar men ook zou gaan in het heelal, op iedere locatie is het heelal precies hetzelfde, ziet ie er hetzelfde uit, heeft ie dezelfde thermodynamische eigenschappen, zelfde dichtheid, gelden dezelfde natuurwetten, etc. Dit is natuurlijk veel moeilijker te verifieren dan de isotropie. Het is onmogelijk om ons even een paar Megaparsecs verderop te bewegen.

Gegeven het kosmologische principe kunnen we op wiskundige gronden laten zien dat er slechts 3 geometrieen zijn die voldoen aan de voorwaarden van homogeniteit en isotropie. Met andere woorden, het aantal mogelijke gekromde ruimte-tijd configuraties is beperkt tot slechts drie.