Wielki Wybuch

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj
Ten artykuł dotyczy Wielkiego Wybuchu. Zobacz też: Big Bang (ujednoznacznienie).
Kosmologia fizyczna
Ilc 9yr moll4096.png
Wszechświat
(chronologiakształtrozmiarwiek)
Wielki Wybuch
Efekt Wielkiego Wybuchu – rozszerzanie się Wszechświata
Według modelu Wielkiego Wybuchu Wszechświat wyłonił się z bardzo gęstego i gorącego stanu (na dole). Od tamtej pory sama przestrzeń rozszerzała się z biegiem czasu, odsuwając od siebie galaktyki.

Wielki Wybuch (ang. Big Bang) – model ewolucji Wszechświata uznawany za najbardziej prawdopodobny. Według tego modelu ok. 13,799 ± 0,021 mld lat temu[1] dokonał się Wielki Wybuch – z bardzo gęstej i gorącej osobliwości początkowej wyłonił się Wszechświat (przestrzeń, czas, materia, energia i oddziaływania).

Teoria ta opiera się na obserwacjach wskazujących na rozszerzanie się przestrzeni zgodnie z metryką Friedmana-Lemaître'a-Robertsona-Walkera. Przemawia za tym przesunięcie ku czerwieni widma promieniowania elektromagnetycznego pochodzącego z odległych galaktyk, zgodne z prawem Hubble'a w powiązaniu z zasadą kosmologiczną. Obserwacje te wskazują, że Wszechświat rozszerza się od stanu, w którym cała materia oraz energia Wszechświata miała bardzo dużą gęstość i temperaturę. Fizycy nie są zgodni co do tego, co było przedtem, ale ekstrapolacja znanych praw fizyki do ekstremalnych warunków wczesnego wszechświata w których nie sprawdzono ich eksperymentalnie, wskazywałaby na istnienie tzw. grawitacyjnej osobliwości.

Etymologia[edytuj]

Określenia "Wielki Wybuch" (ang. "Big Bang") w odniesieniu do powyższego modelu po raz pierwszy użył Fred Hoyle nadając temu określeniu pejoratywny wydźwięk, sam jednak zaprzeczał jakoby starał się model wyśmiać a, jak twierdził, chciał jedynie w ten sposób podkreślić różnice w stosunku do ówcześnie panującego poglądu że wszechświat jest wieczny i niezmienny.[2]

Termin Wielki Wybuch jest używany zarówno w wąskim znaczeniu na określenie momentu, gdy zaczęło się obserwowane rozszerzanie się Wszechświata, jak i w szerszym – jako określenie dominującego paradygmatu naukowego objaśniającego powstanie Wszechświata oraz uformowanie się przez nukleosyntezę pierwotnej materii (zgodnie z teorią Alphera-Bethe-Gamowa).

Utożsamianie Wielkiego Wybuchu z eksplozją jest o tyle niefortunne, że proces ten, tak jak rozumie i ujmuje go współczesna kosmologia, nie polegał na ekspansji w pustej przestrzeni, lecz dotyczył rozszerzenia się przestrzeni.

Historia teorii Wielkiego Wybuchu[edytuj]

Przed powstaniem teorii Wielkiego Wybuchu obowiązywał powszechnie uznawany pogląd, że Wszechświat jest niezmiennym i nieporuszającym się układem galaktyk. Pogląd ten wyrażali między innymi Albert Einstein i Isaac Newton.

W 1912 r. amerykański astronom, Vesto Slipher zmierzył widmo promieniowania elektromagnetycznego dla pobliskich "mgławic spiralnych" (tak wówczas nazywano galaktyki spiralne) i odkrył że widmo niemal wszystkich jest znacząco przesunięte ku czerwieni, a w związku z tym, galaktyki oddalały się od obserwatora. Astronom nie wyciągnął jednak kosmologicznych konsekwencji tej informacji, z uwagi na toczące się debaty dotyczące tego czy mgławice te są częścią Drogi Mlecznej czy oddzielnymi "wyspowymi wszechświatami" jak wówczas sądzono.

W 1922 roku Aleksander Friedmann wyprowadził równania postulujące rozszerzanie się Wszechświata na podstawie ogólnej teorii względności pokazując tym samym że Wszechświat może ulegać ekspansji. Niezależnie od niego, w 1927 roku wyprowadził je również Georges Lemaître, poszedł jednak dalej w swoich przewidywaniach i stwierdzając że jeżeli cofnęlibyśmy się jeszcze dalej w czasie, w pewnym momencie natrafilibyśmy na stan w którym cały wszechświat był skondensowany do pojedynczego punktu w przestrzeni, wysuwając tym samym hipotezę pierwotnego atomu. Jego prace zostały w 1929 roku potwierdzone przez obserwacje Edwina Hubble'a przy pomocy 2,5 metrowego teleskopu Hookera, w Mount Wilson Obserwatory. Zaobserwował on, że galaktyki wykazują przesunięcie ku czerwieni wprost proporcjonalne do ich odległości od Ziemi – fakt ten znany jest obecnie jako prawo Hubble'a. Jeśli wziąć pod uwagę zasadę kosmologiczną, która stanowi, że Wszechświat jest jednorodny i izotropowy, z prawa Hubble'a wynika, że cały Wszechświat rozszerza się.

Pojawiły się dwa wyjaśnienia tego stanu. Pierwszym była teoria stanu stacjonarnego autorstwa Freda Hoyle'aThomasa Golda i Hermanna Bondiego, która zakładała, że gęstość Wszechświata nie maleje, mimo jego rozszerzania się, dzięki ciągłej kreacji nowej materii. Drugiego wyjaśnienia dostarczyła teoria Lemaître'a, rozwijana dalej przez George'a Gamowa.

Przez pewien czas naukowcy byli podzieleni, jeśli chodzi o poparcie dla tych teorii. Jednak w latach 60. ubiegłego wieku odkrycie mikrofalowego promieniowania tła przechyliło szalę na korzyść teorii Wielkiego Wybuchu. W tej chwili badania kosmologiczne skupiają się na próbach zrozumienia, jak w kontekście teorii Wielkiego Wybuchu formują się galaktyki, co działo się w pierwszych momentach istnienia Wszechświata i pogodzenia obserwacji z teorią.

Duże postępy w zakresie teorii Wielkiego Wybuchu zostały poczynione w latach 90. XX i w pierwszej dekadzie XXI wieku. Dzięki zaawansowanym teleskopom oraz danym z satelitów COBEWMAP ikosmicznego teleskopu Hubble'a możliwe stały się pomiary o niespotykanej wcześniej precyzji, które doprowadziły do odkrycia, że tempo rozszerzania się Wszechświata wydaje się przyspieszać.

Przegląd zagadnienia[edytuj]

Opierając się na pomiarach rozszerzania się Wszechświata, do których wykorzystano obserwacje supernowych typu Ia, pomiarach fluktuacji temperatury kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła oraz rozmieszczenia galaktyk względem siebie, wiek Wszechświata ocenia się na 1,37 × 1010±2% lat. Zgodność powyższych trzech niezależnych wyników pomiarów dostarcza silnego potwierdzenia dla tzw. modelu Lambda-CDM, który szczegółowo opisuje naturę zawartości Wszechświata.

Wszechświat we wczesnym stadium rozwoju był jednorodnie i izotropowo wypełniony energią o nieprawdopodobnie wielkiej gęstości, o olbrzymiej temperaturze i ciśnieniu. Jednak w miarę rozszerzania się stygł, przechodząc przez przemiany fazowe, odnoszące się do cząstek elementarnych.

Około 10−35 sekund po erze Plancka przemiana fazowa spowodowała, że Wszechświat wszedł w fazę inflacji kosmologicznej, podczas której rozszerzał się wykładniczo. Kiedy ta inflacja zatrzymała się, materialne składowe Wszechświata były w stanie plazmy kwarkowo-gluonowej, w której cząstki składowe poruszały się relatywistycznie. Wszechświat dalej rozszerzał się i stygł, aż w określonej temperaturze zaszła przemiana zwana bariogenezą, podczas której kwarki i gluony połączyły się w barionyprotony i neutrony.

Współcześnie obserwacje przemawiające za prawdziwością modelu Wielkiego Wybuchu to: zjawisko ucieczki galaktyk, istnienie promieniowania tła, łącznie z mierzonymi ostatnio jego nierównomiernościami. Przemawia także za tą teorią udane wyjaśnienie procentowego udziału lekkich pierwiastków (H, He, Li) w składzie Wszechświata i zgodność modelu z innymi teoriami, w tym z ogólną teorią względności.

Model Gorącego Wielkiego Wybuchu[edytuj]

Zgodnie z modelem Gorącego Wielkiego Wybuchu, opracowanym jeszcze w 1948 r. przez George'a Gamowa i jego studenta Ralpha Alphera, można przyjąć, że w chwili narodzin Wszechświata, przy ogromnej temperaturze 1032 K, był hiperprzestrzennym, dziesięciowymiarowym tworem, w którym zjednoczone były wszystkie oddziaływania i istniała jedna wielka symetria GUT.

Świat ten był jednak niestabilny i po 10−43 sekundy rozpadł się na cztero- i sześciowymiarowy. Sześciowymiarowy zapadł się do rozmiaru 10−32 centymetra, a nasz czterowymiarowy zaczął się gwałtownie rozszerzać. Po 10−35 sekundy silne oddziaływania oddzieliły się od elektrosłabych, a niewielki fragment większego wszechświata rozszerzył się 1050 razy, stając się ostatecznie naszym widzialnym Wszechświatem. Takie gwałtowne rozszerzenie opisywane jest przez teorię inflacji kosmologicznej. Po upływie dalszego ułamka sekundy oddziaływania elektrosłabe rozpadły się na elektromagnetyczne i słabe, a następnie, gdy temperatura spadła już do 1014 K, kwarki zaczęły się łączyć w protony i neutrony.

Co było przed?[edytuj]

Z punktu widzenia modelu standardowego Wielkiego Wybuchu i klasycznej (niekwantowej) teorii grawitacji nie można mówić o okresie „przed” Wielkim Wybuchem, jako że Wszechświat powstał w momencie Wielkiego Wybuchu, a razem z nim: przestrzeń, materia i czas, dlatego pytanie o to, co było przed Wielkim Wybuchem, jest pozbawione sensu, ponieważ czas rozpoczął się z chwilą wybuchu.

Według scenariusza opartego o kosmologię bran możliwe jest, aby nasz Wszechświat powstał w wyniku jednego z powtarzalnych etapów rozszerzania i zapadania przestrzeni[3]. Istnieją również modele kwantowe, niewymagające narzucanych przez standardowy Wielki Wybuch i ogólną teorię względności warunków brzegowych jak i osobliwości[4][5].

Przeciwnicy[edytuj]

Niektórzy uczeni nie zgadzali się z teorią Wielkiego Wybuchu. Wśród nich byli:

Od czasu aktywnej działalności powyższych badaczy nastąpił ogromny postęp w dziedzinie kosmologii obserwacyjnej i powyższe teorie są obecnie powszechnie uważane za niezgodne z obserwacjami.

Zobacz też[edytuj]

Przypisy

  1. Planck Collaboration: Planck 2015 results. XIII. Cosmological parameters (ang.). InSpire, 2015-02-05. [dostęp 2016-05-08]. s. 31.
  2. 'Big bang' astronomer dies, „BBC”, 22 sierpnia 2001 [dostęp 2016-08-17].
  3. Paul J. Steinhardt, Neil Turok. A Cyclic Model of the Universe. „Science”. 296 (5572), 05-2002. DOI: 10.1126/science.1070462 (ang.). 
  4. Alexander Vilenkin. Creation of universes from nothing. „Physics Letters B”. 117 (1-2), 11-1982. DOI: doi:10.1016/0370-2693(82)90866-8 (ang.). 
  5. Dongshan He, Dongfeng Gao, Qing-yu Cai. Spontaneous creation of the universe from nothing. „Physical Review D”. 89 (8), 04-2014. DOI: 10.1103/PhysRevD.89.083510 (ang.). 
  6. Steady-state theory (ang.). britannica.com, 2012-12-03. [dostęp 2016-05-08].

Linki zewnętrzne[edytuj]