Zrozumienie teorii Wielkiego Wybuchu

Teoria kryjąca się za powstaniem wszechświata

John Lund/Photographer's Choice/Getty Images

Teoria Wielkiego Wybuchu jest dominującą teorią powstania wszechświata. Zasadniczo teoria ta stwierdza, że ​​wszechświat powstał od początkowego punktu lub osobliwości, która rozszerzyła się przez miliardy lat, tworząc wszechświat taki, jaki znamy obecnie.

Ustalenia dotyczące wczesnego rozszerzania się wszechświata

W 1922 r. rosyjski kosmolog i matematyk Aleksander Friedman znalazł rozwiązanie tego problemu:Alberta Einsteina's ogólna teoria względności równania pola zaowocowały rozszerzającym się wszechświatem. Jako wierzący w statyczny, wieczny wszechświat, Einstein dodał do swoich równań stałą kosmologiczną, „korygując” ten „błąd”, a tym samym eliminując ekspansję. Nazwał to później największym błędem swojego życia.

W rzeczywistości istniały już dowody obserwacyjne na poparcie rozszerzającego się wszechświata. W 1912 roku amerykański astronom Vesto Slipher zaobserwował galaktykę spiralną – uważaną wówczas za „mgławicę spiralną”, ponieważ astronomowie nie wiedzieli jeszcze, że poza galaktyką istnieją galaktyki. droga Mleczna —i nagrał swoje przesunięcie ku czerwieni , przesunięcie źródła światła przesuwa się w kierunku czerwonego końca widma światła. Zauważył, że wszystkie takie mgławice oddalają się od Ziemi. Wyniki te były wówczas dość kontrowersyjne, a ich pełne implikacje nie były brane pod uwagę.

W 1924 r. astronom Edwina Hubble'a był w stanie zmierzyć odległość do tych 'mgławic' i odkrył, że były one tak daleko, że nie były w rzeczywistości częścią Drogi Mlecznej. Odkrył, że Droga Mleczna jest tylko jedną z wielu galaktyk i że te 'mgławice' są w rzeczywistości galaktykami.

Narodziny Wielkiego Wybuchu

W 1927 r. rzymskokatolicki ksiądz i fizyk Georges Lemaitre niezależnie obliczył rozwiązanie Friedmana i ponownie zasugerował, że wszechświat musi się rozszerzać. Teoria ta została poparta przez Hubble'a, kiedy w 1929 roku odkrył, że istnieje korelacja między odległością galaktyk a ilością przesunięcie ku czerwieni w świetle tej galaktyki. Odległe galaktyki oddalały się szybciej, co dokładnie przewidywały rozwiązania Lemaitre'a.

W 1931 Lemaitre poszedł dalej w swoich przewidywaniach, ekstrapolując wstecz w czasie, że materia wszechświata osiągnie nieskończoną gęstość i temperaturę w skończonym czasie w przeszłości. Oznaczało to, że wszechświat musiał zacząć się w niewiarygodnie małym, gęstym punkcie materii, zwanym „pierwotnym atomem”.

Niektórych niepokoił fakt, że Lemaitre był księdzem rzymskokatolickim, ponieważ przedstawiał teorię, która przedstawiała wszechświatowi określony moment „stworzenia”. W latach dwudziestych i trzydziestych większość fizyków — jak Einstein — była skłonna wierzyć, że wszechświat istniał od zawsze. W gruncie rzeczy teoria wielkiego wybuchu była przez wielu postrzegana jako zbyt religijna.

Wielki Wybuch kontra stan stacjonarny

Chociaż przez jakiś czas przedstawiano kilka teorii, tak naprawdę było to tylko Freda Hoyle'a teoria stanu ustalonego co stanowiło prawdziwą konkurencję dla teorii Lemaitre'a. To, jak na ironię, Hoyle ukuł frazę „Wielki Wybuch” podczas audycji radiowej z lat 50., mając na celu szydercze określenie teorii Lemaitre'a.

Teoria stanu ustalonego przewidziała, że ​​nowe materiał został stworzony w taki sposób, że gęstość i temperatura wszechświata pozostawały stałe w czasie, nawet gdy wszechświat się rozszerzał. Hoyle przewidział również, że gęstsze pierwiastki powstały z wodoru i helu w procesie gwiezdna nukleosynteza , która w przeciwieństwie do teorii stanu ustalonego okazała się trafna.

George Gamow — jeden z uczniów Friedmana — był głównym orędownikiem teorii Wielkiego Wybuchu. Wraz z kolegami Ralphem Alpherem i Robertem Hermanem przewidział kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła (CMB), które powinno istnieć w całym wszechświecie jako pozostałość po Wielkim Wybuchu. Gdy atomy zaczęły się formować podczas era rekombinacji , pozwolili promieniowaniu mikrofalowemu (forma światła) podróżować przez wszechświat, a Gamow przewidział, że to promieniowanie mikrofalowe nadal byłby obserwowalny dzisiaj.

Debata trwała do 1965 roku, kiedy Arno Penzias i Robert Woodrow Wilson natknęli się na CMB podczas pracy dla Bell Telephone Laboratories. Ich radiometr Dicke, używany do radioastronomii i łączności satelitarnej, wykrył temperaturę 3,5 K (zbliżone do przewidywania 5 K Alphera i Hermana).

W późnych latach 60. i wczesnych 70. niektórzy zwolennicy fizyki stanu ustalonego próbowali wyjaśnić to odkrycie, wciąż zaprzeczając teorii Wielkiego Wybuchu, ale pod koniec dekady stało się jasne, że promieniowanie CMB nie ma innego wiarygodnego wyjaśnienia. Penzias i Wilson otrzymali za to odkrycie Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1978 roku.

Kosmiczna inflacja

Pozostały jednak pewne obawy dotyczące teorii Wielkiego Wybuchu. Jednym z nich był problem jednorodności. Naukowcy zapytali: Dlaczego wszechświat wygląda identycznie pod względem energii, niezależnie od tego, w którą stronę patrzymy? Teoria Wielkiego Wybuchu nie daje wczesnego Wszechświata czasu na dotarcie do niego Równowaga termiczna , więc powinny istnieć różnice w energii w całym wszechświecie.

W 1980 roku amerykański fizyk Alan Guth złożył formalną propozycję teoria inflacji rozwiązać ten i inne problemy. Teoria ta mówi, że we wczesnych momentach po Wielkim Wybuchu nastąpiła niezwykle szybka ekspansja rodzącego się Wszechświata napędzana przez „energię podciśnienia próżniowego” (która może być w jakiś sposób związany z aktualnymi teoriami ciemna energia ). Alternatywnie, teorie inflacji, podobne w koncepcji, ale z nieco innymi szczegółami, zostały przedstawione przez innych w ostatnich latach.

Program Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) NASA, który rozpoczął się w 2001 roku, dostarczył dowodów, które silnie wspierają okres inflacji we wczesnym Wszechświecie. Dowody te są szczególnie mocne w danych z trzech lat opublikowanych w 2006 r., chociaż nadal istnieją pewne drobne niespójności z teorią. Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki 2006 została przyznana Johnowi C. Matherowi i George'owi Smootowi, dwóm kluczowym pracownikom projektu WMAP.

Istniejące kontrowersje

Chociaż teoria Wielkiego Wybuchu jest akceptowana przez zdecydowaną większość fizyków, wciąż istnieją pewne drobne pytania dotyczące jej. Najważniejsze są jednak pytania, na które teoria nie może nawet próbować odpowiedzieć:

• Co istniało przed Wielkim Wybuchem?
• Co spowodowało Wielki Wybuch?
• Czy nasz wszechświat jest jedyny?

Odpowiedzi na te pytania mogą istnieć poza sferą fizyki, ale mimo to są fascynujące, a odpowiedzi takie jak: wieloświat hipoteza dostarcza intrygującego obszaru spekulacji zarówno dla naukowców, jak i nie-naukowców.

Inne nazwy Wielkiego Wybuchu

Kiedy Lemaitre pierwotnie zaproponował obserwację wczesnego wszechświata, nazwał ten wczesny stan wszechświata pierwotnym atomem. Wiele lat później George Gamow nadał mu nazwę ylem. Nazywano go również pierwotnym atomem, a nawet kosmicznym jajkiem.