Jak powstał wszechświat?

To przedstawia oś czasu wszechświata od Wielkiego Wybuchu do teraźniejszości. Po lewej stronie znajduje się „wydarzenie narodzin” kosmosu, znane jako „Wielki Wybuch”. Zespół Naukowy NASA / WMAP

Jak powstał wszechświat? To pytanie, które naukowcy i filozofowie zastanawiali się przez całą historię, patrząc na rozgwieżdżone niebo nad nami. Zadaniem astronomii i astrofizyki jest udzielenie odpowiedzi. Jednak nie jest to łatwe do rozwiązania.

Koncepcja artysty na temat tego, jak mógłby wyglądać Wielki Wybuch, gdyby ktoś był w pobliżu, żeby to zobaczyć. HENNING DALHOFF/Getty Images

Pierwsze poważne przebłyski odpowiedzi pojawiły się z nieba w 1964 roku. Wtedy astronomowie Arno Penzias i Robert Wilson odkryli sygnał mikrofalowy ukryty w danych, które pobierali w poszukiwaniu sygnałów odbijanych od satelitów balonowych Echo. Zakładali wówczas, że to po prostu niepożądany szum i próbowali odfiltrować sygnał.

Antena, której używali Penzias i Wilson, kiedy natknęli się na sygnały z kosmicznego promieniowania tła, zwiastujące narodziny wszechświata. Fabio, CC BY-SA 3.0

Okazuje się jednak, że to, co odkryli, pochodziło z czasów krótko po powstaniu wszechświata. Chociaż wtedy tego nie wiedzieli, odkryli, że Kosmiczne tło mikrofalowe (CMB). CMB został przewidziany przez teorię zwaną Wielkim Wybuchem, która sugerowała, że ​​wszechświat zaczął się jako gęsto gorący punkt w przestrzeni i nagle rozszerzył się na zewnątrz. Odkrycie dwóch mężczyzn było pierwszym dowodem tego pierwotnego wydarzenia.

Big Bang

Co zapoczątkowało narodziny wszechświata? Według fizyki wszechświat powstał z osobliwości — terminu, którego fizycy używają do opisania obszarów przestrzeni, które przeczą prawom fizyki. Niewiele wiedzą o osobliwościach, ale wiadomo, że takie regiony istnieją w rdzeniach czarne dziury . Jest to obszar, w którym cała masa pochłonięta przez czarną dziurę zostaje ściśnięta w maleńki punkt, nieskończenie masywny, ale także bardzo, bardzo mały. Wyobraź sobie wpychanie Ziemi w coś wielkości szpilki. Osobliwość byłaby mniejsza.

Nie oznacza to jednak, że wszechświat powstał jako czarna dziura. Takie założenie rodziłoby pytanie o coś, co istnieje zanim Wielki Wybuch, co jest dość spekulacyjne. Z definicji nic nie istniało przed początkiem, ale ten fakt tworzy więcej pytań niż odpowiedzi. Na przykład, jeśli nic nie istniało przed Wielkim Wybuchem, co spowodowało powstanie osobliwości? To pytanie, które astrofizycy wciąż próbują zrozumieć.

Jednak po utworzeniu osobliwości (niezależnie od tego, jak to się stało), fizycy mają dobre pojęcie o tym, co wydarzyło się później. Wszechświat był w gorącym, gęstym stanie i zaczął się rozszerzać w procesie zwanym inflacją. Przeszedł od bardzo małego i bardzo gęstego do bardzo gorącego stanu. Następnie ostygła w miarę rozszerzania się. Proces ten jest obecnie określany jako Wielki Wybuch, termin po raz pierwszy wymyślony przez Sir Freda Hoyle'a podczas audycji radiowej British Broadcasting Corporation (BBC) w 1950 roku.

Chociaż termin ten sugeruje jakiś rodzaj eksplozji, tak naprawdę nie było wybuchu ani huku. To była naprawdę gwałtowna ekspansja czasu i przestrzeni. Pomyśl o tym jak nadmuchiwanie balonu: gdy ktoś wdmuchuje powietrze, zewnętrzna strona balonu rozszerza się na zewnątrz.

Chwile po Wielkim Wybuchu

Bardzo wczesny Wszechświat (kilka ułamków sekundy po rozpoczęciu Wielkiego Wybuchu) nie był związany prawami fizyki, jakie znamy dzisiaj. Tak więc nikt nie jest w stanie przewidzieć z dużą dokładnością, jak wszechświat wyglądał w tamtym czasie. Jednak naukowcy mieć byli w stanie skonstruować przybliżoną reprezentację ewolucji wszechświata.

Po pierwsze, wszechświat niemowląt był początkowo tak gorący i gęsty, że nawet… cząstki elementarne takie jak protony i neutrony nie mogły istnieć. Zamiast tego różne rodzaje materiał (zwane materią i antymaterią) zderzyły się ze sobą, tworząc czystą energię. Gdy wszechświat zaczął się ochładzać w ciągu pierwszych kilku minut, zaczęły się formować protony i neutrony. Powoli protony, neutrony i elektrony łączyły się, tworząc wodór i niewielkie ilości helu. W ciągu następnych miliardów lat gwiazdy, planety i galaktyki uformowały się, aby stworzyć obecny wszechświat.

Dowód na Wielki Wybuch

Wróćmy więc do Penziasa, Wilsona i CMB. Co znaleźli (i za co wygrali) nagroda Nobla ), jest często opisywany jako echo Wielkiego Wybuchu. Pozostawił po sobie sygnaturę, tak jak echo słyszane w kanionie reprezentuje sygnaturę oryginalnego dźwięku. Różnica polega na tym, że zamiast słyszalnego echa wskazówką Wielkiego Wybuchu jest sygnatura cieplna w całej przestrzeni. Sygnatura ta została specjalnie zbadana przez statek kosmiczny Cosmic Background Explorer (COBE) i Sonda anizotropii mikrofalowej Wilkinson (WMAP) . Ich dane dostarczają najbardziej wyraźnych dowodów na kosmiczne narodziny.

Szczegółowy obraz całego nieba nowopowstałego wszechświata stworzony na podstawie siedmiu lat danych WMAP. Zdjęcie ujawnia wahania temperatury sprzed 13,7 miliarda lat (pokazane jako różnice w kolorach), które odpowiadają nasionom, które wyrosły, by stać się galaktykami. Zespół Naukowy NASA / WMAP

Alternatywy dla teorii Wielkiego Wybuchu

Podczas, gdy Wielki Wybuch teoria jest najszerzej akceptowanym modelem wyjaśniającym pochodzenie wszechświata i jest poparta wszystkimi dowodami obserwacyjnymi, istnieją inne modele, które wykorzystują te same dowody, aby opowiedzieć nieco inną historię.

Niektórzy teoretycy twierdzą, że teoria Wielkiego Wybuchu opiera się na fałszywym założeniu — że wszechświat zbudowany jest na stale rozszerzającej się czasoprzestrzeni. Sugerują statyczny wszechświat, co pierwotnie przewidywała teoria Einsteina ogólna teoria względności . Teoria Einsteina została dopiero później zmodyfikowana, aby uwzględnić sposób, w jaki wszechświat wydaje się rozszerzać. A ekspansja jest dużą częścią historii, zwłaszcza, że ​​wiąże się z istnieniem ciemna energia . Wreszcie, ponowne obliczenie masy wszechświata wydaje się wspierać teorię zdarzeń Wielkiego Wybuchu.

Podczas gdy nasze zrozumienie rzeczywistych wydarzeń jest wciąż niekompletne, dane CMB pomagają kształtować teorie wyjaśniające narodziny kosmosu. Bez Wielkiego Wybuchu nie mogłyby istnieć gwiazdy, galaktyki, planety ani życie.

Szybkie fakty

• Wielki Wybuch to nazwa nadana narodzinom wszechświata.
• Uważa się, że Wielki Wybuch miał miejsce, gdy coś zapoczątkowało ekspansję maleńkiej osobliwości, około 13,8 miliarda lat temu.
• Światło z krótko po Wielkim Wybuchu jest wykrywalne jako kosmiczne promieniowanie mikrofalowe (CMB). Reprezentuje światło z czasów, gdy nowo narodzony wszechświat rozświetlał się jakieś 380 000 lat po Wielkim Wybuchu.

Źródła

• Big Bang. NASA , NASA, www.nasa.gov/subject/6890/the-big-bang/.
• NASA , NASA, science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/what-powered-the-big-bang.
• Początki Wszechświata. National Geographic , National Geographic, 24 kwietnia 2017 r., www.nationalgeographic.com/science/space/universe/origins-of-the-universe/.

Zaktualizowany i edytowany przezCarolyn Collins Petersen.