Teoria Wielkiego Wybuchu reprezentuje najlepsze próby kosmologów, aby zrekonstruować 14-letnią historię wszechświata opartą na widocznym dziś kawałku istnienia.
Różni ludzie używają terminu „Wielki Wybuch” na różne sposoby. Zasadniczo ilustruje on łuk obserwowalnego wszechświata, gdy cień przerzedził się i ochłodził od początkowo gęstego, gorącego stanu. Opis ten sprowadza się do idei, że kosmos się rozszerza, ogólnej zasady analogicznej do przetrwania najsilniejszych w biologii, o których niewielu uważa za dyskusyjne.
Mówiąc dokładniej, Wielki Wybuch może również odnosić się do narodzin samego obserwowalnego wszechświata - momentu, w którym coś się zmieniło, rozpoczynając wydarzenia, które doprowadziły do dzisiejszego dnia. Kosmolodzy od dziesięcioleci spierają się o szczegóły tej części sekundy, a dyskusja trwa do dziś.
Klasyczna teoria Wielkiego Wybuchu
Przez większą część historii ludzkości obserwatorzy nieba zakładali, że jest wieczna i niezmienna. Edwin Hubble opowiedział tę historię eksperymentalnym ciosem w latach dwudziestych, kiedy jego obserwacje wykazały zarówno istnienie galaktyk poza Drogą Mleczną, jak i ich światło wydawało się rozciągnięte - znak, że uciekają z Ziemi.
George Lemaître, współczesny belgijski fizyk, zinterpretował dane Hubble'a i innych jako dowód rozszerzającego się wszechświata, na co zezwalają opublikowane niedawno równania pola względności ogólnej Einsteina. Myśląc wstecz, Lemaître wywnioskował, że dzisiejsze galaktyki oddzielające musiały zacząć się od czegoś, co nazwał „pierwotnym atomem”.
Pierwsze publiczne użycie nowoczesnego terminu na pomysł Lemaître'a faktycznie pochodzi od krytyka - angielskiego astronoma Freda Hoyle'a. 28 marca 1949 r. Hoyle ukuł to zdanie w obronie swojej preferowanej teorii wiecznego wszechświata, który stworzył materię, aby zlikwidować rozcieńczenie ekspansji. Hoyle powiedział, że „cała materia wszechświata powstała w jednym wielkim wybuchu w określonym czasie w odległej przeszłości” jest irracjonalna. W późniejszych wywiadach Hoyle zaprzeczył, że celowo wymyślił oszczercze imię, ale pseudonim utknął, ku wielkiej frustracji niektórych.
„Wielki Wybuch to naprawdę zły termin” - powiedział Paul Steinhardt, kosmolog z Princeton. „Big Stretch uchwyciłby właściwy pomysł”. Zdaniem Steinhardta mentalny obraz wybuchu powoduje wszelkiego rodzaju zamieszanie. Oznacza centralny punkt, rozszerzającą się granicę i scenę, w której lekki odłamek lata szybciej niż cięższe kawałki. Ale rozszerzający się wszechświat nie wygląda tak, powiedział. Nie ma środka, krawędzi i galaktyk dużych i małych, wszystkie przesuwają się w ten sam sposób (chociaż bardziej odległe galaktyki oddalają się szybciej pod kosmologicznie niedawnym wpływem ciemnej energii).
Niezależnie od nazwy, teoria Wielkiego Wybuchu znalazła szeroką akceptację dla jej niezrównanej zdolności wyjaśniania tego, co widzimy. Na przykład równowaga światła z cząsteczkami takimi jak protony i neutrony w ciągu pierwszych 3 minut pozwala na tworzenie wczesnych pierwiastków z szybkością przewidującą obecne ilości helu i innych atomów światła.
„Było małe okno w czasie, w którym możliwe było tworzenie jąder” - powiedział Glennys Farrar, kosmolog z New York University. „Potem wszechświat wciąż się powiększał i nie mogli się znaleźć, a wcześniej było za gorąco”.
Mętna plazma wypełniała wszechświat przez następne 378 000 lat, dopóki dalsze chłodzenie nie pozwoliło elektronom i protonom tworzyć neutralnych atomów wodoru, a mgła zniknęła. Światło emitowane podczas tego procesu, które od tego czasu rozciągało się do mikrofal, jest najwcześniej znanym obiektem, który badacze mogą badać bezpośrednio. Znane jako promieniowanie kosmiczne mikrofalowe (CMB), wielu badaczy uważa to za najsilniejszy dowód Wielkiego Wybuchu.
Wybuchowa aktualizacja
Ale kiedy kosmolodzy cofnęli się do pierwszych chwil wszechświata, historia się wyjaśniła. Ogólne równania względności sugerowały początkową plamkę nieograniczonego ciepła i gęstości - osobliwość. Oprócz tego, że nie ma większego sensu fizycznego, osobliwe pochodzenie nie pasowało do gładkiego, płaskiego CMB. Wahania potężnej temperatury i gęstości plamki spowodowałyby powstanie pokosu nieba o różnych właściwościach, ale temperatura CMB zmienia się tylko o ułamek stopnia. Krzywizna czasoprzestrzeni również wygląda dość płasko, co sugeruje początkowo prawie idealną równowagę materii i krzywizny, co dla większości kosmologów jest nieprawdopodobne.
Alan Guth zaproponował nowy obraz pierwszego ułamka sekundy w latach 80., sugerując, że wszechświat spędził swoje najwcześniejsze chwile rosnąc wykładniczo szybciej niż obecnie. W pewnym momencie proces ten zatrzymał się i zaciągnięcie hamulców spowodowało gęsty i gorący (ale nie nieskończenie) bałagan cząstek, który zajmuje miejsce osobliwości. „Moim zdaniem myślę o tym jako o Wielkim Wybuchu, kiedy wszechświat się rozgrzał” - powiedział Farrar.
Teoria inflacji, jak się ją nazywa, ma teraz mnóstwo konkurencyjnych modeli. Chociaż nikt nie wiedział wiele o tym, co sprawiło, że wszechświat rozszerzył się tak szybko, teoria stała się popularna ze względu na jej zdolność do wyjaśniania pozornie nieprawdopodobnego pozbawionego cech CMB: Inflacja zachowała niewielkie fluktuacje (które rozwinęły się w dzisiejsze gromady galaktyk), jednocześnie spłaszczając główne. „To bardzo słodka historia” - powiedział Steinhardt, który pomógł rozwinąć teorię. „To ten, który mówimy naszym dzieciom”.
Poza inflacją
Ostatnie badania wprowadziły dwa zmarszczki do kosmicznej narracji teorii inflacji. Praca Steinhardta i innych sugeruje, że inflacja zatrzymałaby się w niektórych regionach (takich jak nasz obserwowalny wszechświat), ale kontynuowała w innych, tworząc szereg oddzielnych terytoriów o „każdym możliwym zestawie właściwości kosmologicznych”, jak to ujął Steinhardt. Wielu fizyków uważa ten „wieloświatowy” obraz za niesmaczny, ponieważ tworzy on nieskończoną liczbę nietrwałych prognoz.
Na froncie eksperymentalnym kosmolodzy spodziewają się, że inflacja powinna wytworzyć rozciągające się na galaktykę fale grawitacyjne w CMB, podobnie jak powodowała niewielkie zmiany temperatury i gęstości. Obecne eksperymenty powinny być wystarczająco czułe, aby je znaleźć, ale pierwotne fale czasoprzestrzenne nie pojawiły się (pomimo jednego fałszywego alarmu w 2014 r.).
Wielu badaczy czeka na bardziej precyzyjne pomiary CMB, które mogą zabić lub zweryfikować wiele wciąż istniejących modeli inflacji. Inni fizycy jednak nie postrzegają gładkości kosmosu jako problemu - zaczął się od jednolitości i nie wymaga wyjaśnienia.
Podczas gdy eksperymentaliści dążą do nowych poziomów precyzji, niektórzy teoretycy odwrócili się od inflacji, szukając innych sposobów na zmiażdżenie wszechświata. Na przykład Steinhardt pracuje nad modelem „dużego odbicia”, który jeszcze bardziej przesuwa zegar startowy do wcześniejszego okresu skurczu, który wygładził czasoprzestrzeń i przygotował grunt pod gwałtowny rozwój. Ma nadzieję, że wkrótce nowe podpisy, oprócz problemów takich jak brak pierwotnych fal grawitacyjnych, przygotują kosmologów do opowiedzenia o nowej historii stworzenia. „Czy są jakieś inne obserwowalne cechy, których należy szukać?” Steinhardt powiedział: „Zapytaj mnie ponownie za kilka lat i mam nadzieję na odpowiedź”.
Dodatkowy zasoby:
