Skąd wziął się ten wszechświat, czyli wszystko co chcielibyście wiedzieć o Wielkim Wybuchu
Teoria Wielkiego Wybuchu jest najbardziej akceptowanym modelem kosmologicznym wyjaśniającym pochodzenie i ewolucję wszechświata. Mówi, ona, że cała energia i czasoprzestrzeń we wszechświecie były początkowo zawarte w nieskończenie gęstym gorącym i niewiarygodnie małym stanie początkowym . Uważa się, że masowa ekspansja rozpoczęła się od tej super gorącej i super gęstej plamki około 13,8 miliarda lat temu.
Zdarzenie jest często opisywane jako eksplozja. Chociaż w rzeczywistości była to ekspansja samej przestrzeni, a nie wyrzucanie materiału z prędkością większą niż prędkość światła. Uwolniona została ogromna ilość materii i promieniowania. Gdy to się rozproszyło, powstały cząsteczki i atomy subatomowe. Grawitacja w końcu połączyła je, tworząc na przestrzeni milionów lat gwiazdy i galaktyki. Podczas gdy sama przestrzeń wciąż się rozciągała – i rozciąga nadal, zgodnie z prawem ekspansji wszechświata Hubble’a-Lemaître’a.
Teoria Wielkiego Wybuchu jest wspierana przez to prawo, które mówi, że galaktyki oddalają się od siebie w tempie, które rośnie wraz ze wzrostem odległości między nimi (galaktyki oddalają się od Ziemi z prędkością proporcjonalną do ich odległości). Astronomowie wiedzą o tym dzięki zauważalnemu przesunięciu światła emitowanego przez galaktyki w kierunku końca widma widzialnego. Jest to zjawisko zwane „galaktycznym przesunięciem ku czerwieni”. Innymi słowy, im dalej znajduje się galaktyka, tym bardziej przesunięte ku czerwieni jest jej światło i tym szybciej się porusza.
Dowody i fakty dotyczące teorii Wielkiego Wybuchu
Teoria Wielkiego Wybuchu cieszy się wysokim poziomem akceptacji w środowisku naukowym. Ale dlaczego tak jest?
Po pierwsze, wspomniane prawo Hubble’a-Lemaître’a stanowi ważny dowód empiryczny na Wielki Wybuch i skorelowaną ideę rozszerzającego się wszechświata. Ale są inne przyczyny.
Jednym z nich jest istnienie kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła (CMBR). CMBR to sygnał elektromagnetyczny w paśmie mikrofalowym, którego nie można połączyć z żadnym obiektem we wszechświecie (dlatego nazywa się to „promieniowaniem tła”). Został odkryty przypadkowo w 1964 roku. Wtedy to dwóch naukowców z Bell Telephone Laboratories, Arno Penzias i Robert Wilson, testowało antenę mikrofalową przeznaczoną do komunikacji satelitarnej. Ten radiometr mikrofalowy nieustannie wykrywał „nadmiar szumu radiowego”. Był on jednolity we wszystkich kierunkach i ostatecznie okazał się pochodzić spoza naszej galaktyki.
W 1948 George Gamow, Ralph Alpher i Robert Herman badali nukleosyntezę lekkich pierwiastków w Wielkim Wybuchu. Wysunęli teorię, że aby ten proces mógł zajść, wszechświat musi być niezwykle gorący. Ze względu na ciągłą ekspansję mogą istnieć pozostałości tego ekstremalnego ciepła w postaci fal mikrofalowych. To, co Arno Penzias i Robert Wilson zaobserwowali w Bell Telephone Laboratories, uznano za pozostałości po ekspansywnym procesie, który dał początek wszechświatowi.
Innym dowodem jest to, że ilości helu, wodoru, deuteru, trytu, litu i innych pierwiastków śladowych we wszechświecie są dokładnie takie, jak teoretycznie powinny być, gdyby miał miejsce Wielki Wybuch. Innymi słowy, teoria Wielkiego Wybuchu przewiduje, że te pierwiastki chemiczne powinny znaleźć się w szczególnej obfitości z powodu „eksplozji” osobliwości. A naukowcy właśnie to odkryli. Na przykład teoria wskazywała, że gdyby nastąpił Wielki Wybuch, ilość helu we wszechświecie wynosiłaby około 25 procent. W rzeczywistości hel stanowi 25 procent atomów w kosmosie.
Zgodnie z symulacjami powstawanie i ewolucję galaktyk można również uznać za dowód na istnienie teorii Wielkiego Wybuchu. Głównie ze względu na sposób, w jaki zorganizowały się one w duże struktury, takie jak gromady i supergromady. Istnieją także inne dowody, ale obserwacje przesunięcia ku czerwieni w kosmosie, CMBR, dużych ilości pierwiastków świetlnych i ewolucji galaktyk są tym, co naukowcy nazywają „czterema filarami Wielkiego Wybuchu”.
Inne teorie dotyczące powstania wszechświata
Nie ma dowodów empirycznych sprzecznych z teorią Wielkiego Wybuchu. Ale jak wszystkie teorie, Wielki Wybuch nie jest doskonały, a astronomowie opracowali inne wyjaśnienia narodzin wszechświata.
Jednym z nich jest model stanu ustalonego. Wyjaśnia on rozszerzanie się wszechświata, zakładając wieczne tworzenie materii, utrzymujące swoją gęstość w czasie. W tym modelu wszechświat jest ponadczasowy i nieskończony. Nie ma początku, końca ani ewolucji. Zmienia się tylko dlatego, że ciągła ekspansja wszechświata zawsze wytwarza nową materię (zwłaszcza wodór), a nowa materia rodzi nowe gwiazdy.
Model stanu ustalonego został po raz pierwszy zakwestionowany w latach 50. XX wieku, kiedy radiogalaktyki zostały dostrzeżone z tak dużej odległości iw takich stanach, że nie pasowały do modelu stanu ustalonego. We wszechświecie Wielkiego Wybuchu, ze względu na czas podróży światła, astronomowie mogą zobaczyć odległe galaktyki takimi, jakimi były w przeszłości; dlatego galaktyki dalej powinny być gęściej zatłoczone niż galaktyki pobliskie. W modelu stanu stacjonarnego można by oczekiwać, że wszędzie (i o każdej porze) znajdzie się tę samą średnią gęstość galaktyk. Ale w rzeczywistości na dużych odległościach jest więcej radiogalaktyk niż w pobliżu. To pokazuje, że wszechświat zmienił się w czasie.
Model stanu ustalonego upadł wraz z odkryciem innych filarów teorii Wielkiego Wybuchu. Zwłaszcza po odkryciu kwazarów i CMBR, model stanu ustalonego został porzucony na rzecz teorii Wielkiego Wybuchu w latach sześćdziesiątych.
Inną alternatywą jest wieczna inflacja. Teoria ta zakłada, że inflacja, która wystąpiła w okresie bezpośrednio po Wielkim Wybuchu, nigdy nie ustała i nawet teraz powstają nowe wszechświaty, prawdopodobnie z innymi prawami fizycznymi.
Są też inne, bardziej ezoteryczne teorie, które pochodzą z prac w teorii strun i grawitacji kwantowej. Np. teoria holograficzna, która stwierdza, że wszechświat jest dwuwymiarowym hologramem rzutowanym na trójwymiarową przestrzeń.
Kalendarium Wielkiego Wybuchu
Korzystając z teorii Wielkiego Wybuchu, wszechświat można podzielić na kilka etapów rozwoju.
Po pierwsze, istniała początkowa osobliwość, w której cała energia i czasoprzestrzeń wszechświata zostały „uwięzione” w niezwykle gęstej, gorącej plamce. W tym momencie teoretycznie wszechświat rozciągał się na zaledwie 10-35 metrów (1 długość Plancka). Miał temperaturę ponad 10 32 °C (temperatura Plancka). Fluktuacje kwantowe doprowadziły do okresu ultra gorącej inflacji kosmicznej , uważanej za początek ultraszybkiej, wykładniczej ekspansji Wszechświata.
Kosmiczna inflacja ustanowiła również początkowe właściwości wszechświata. To właśnie na tych etapach kwarki połączone w hadrony, elektrony i protony zderzają się, tworząc neutrony i neutrina , neutrony i neutrina ponownie formowane w nowe pary proton – elektron itp.
W miarę dalszego ochładzania Wszechświata protony i neutrony zostały połączone w lekkie jądra atomowe pierwiastków, takich jak wodór, hel i lit. Nazywa się to Nukleosyntezą Wielkiego Wybuchu (BBN). Wydarzyło się w okresie od około 10 sekund do 20 minut po Wielkim Wybuchu. Neutralne atomy i fotony CMBR powstały nieco później, w okresie zwanym „rekombinacją”.
Po około 20 minutach temperatura i gęstość wszechświata spadły do punktu, w którym synteza jądrowa nie mogła być kontynuowana.
W miarę jak temperatura i gęstość wszechświata nadal spadały, zjonizowane atomy wodoru i helu przechwyciły elektrony, tworząc neutralne atomy. Gdy elektrony są teraz związane z atomami , wszechświat w końcu staje się przezroczysty dla światła. Jednocześnie fotony są uwalniane z interakcji z elektronami i protonami i mogą się swobodnie poruszać. To właśnie te fotony możemy wykryć w CMBR.
Potem jest okres często określany jako „ciemne wieki”. To wtedy uformowały się pierwsze atomy, ale jeszcze nie połączyły się w gwiazdy. Chociaż fotony istniały, nie było gwiazd, które emitowałyby światło widzialne. Tak było aż do powstania pierwszych gwiazd, mniej więcej 400 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Okres ten nazywany jest również rejonizacją.
W tym czasie gęstsze obszary gazu zapadały się pod wpływem własnej grawitacji. Stały się wystarczająco gęste i gorące, aby wywołać reakcje fuzji jądrowej między atomami wodoru i utworzyć gwiazdy i galaktyki. Emitowane przez tę formację gwiazd światło ultrafioletowe ponownie zjonizowało otaczający neutralny gaz wodorowy, powodując, że wszechświat stał się przezroczysty dla światła ultrafioletowego.
Większe gwiazdy żyły krótko. Z czasem powstały mniejsze gwiazdy, podczas gdy większe objętości materii zapadły się, tworząc galaktyki, gromady i supergromady.
Teraźniejszość i przyszłość
I tu docieramy do czasów obecnych, w których mamy do czynienia z przyśpieszającą ekspansją Wszechświata, okresem przyspieszenia kosmicznego, w którym bardziej odległe galaktyki oddalają się szybciej. Według niektórych obliczeń weszliśmy w ten okres około 5 miliardów lat temu i tak naprawdę nie wiemy, dokąd nas zaprowadzi w przyszłości.
Jak zakończy się ta prygoda? Co z ostatecznym losem wszechświata? Niektóre teorie obejmują pojęcie Big Crunch, który stwierdza, że wszechświat ostatecznie ulegnie deflacji i ponownie się zapadnie; oraz Big Bounce, w którym stwierdza się, że po tej „deflacji” nastąpi kolejny Wielki Wybuch, co oznacza, że wszechświat jest cykliczny, a Wielki Wybuch może nie być narodzinami wszechświata, ale początkiem nowego cyklu.
Jednak większość obserwacji wskazuje, że ekspansja wszechświata będzie trwać wiecznie. Problem polega na tym, że wszechświat stygnie w miarę rozszerzania się, więc może w końcu osiągnąć stan równowagi termodynamicznej, w którym nie ma wystarczającej ilości energii, aby podtrzymać procesy zwiększające entropię. Innymi słowy, ze wszechświata nie można już wydobyć żadnej pracy. Nazywa się to śmiercią cieplną wszechświata lub Wielkim Zamarznięciem.
Czy nastąpi wtedy koniec wszystkiego? Być może jest to niewłaściwie postawione pytanie.
Czytaj także: Wszechświat rozszerza się szybciej niż myślano
