Wielki Wybuch

Wielki Wybuch (ang. Big Bang) to model powstania Wszechświata uznawany przez współczesną kosmologię za najbardziej prawdopodobny. Według tego modelu ok. 13,73 mld lat temu dokonał się "Wielki Wybuch" - z nieprawdopodobnie gęstej i gorącej osobliwości początkowej wyłonił się Wszechświat (przestrzeń, czas, materia, energia, oddziaływania, itd.).

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 odległych galaktyk zgodne z prawem Hubble'a w powiązaniu z zasadą kosmologiczną.

Ekstrapolując z przeszłości, obserwacje te wskazują, że Wszechświat rozszerza się od stanu, w którym cała materia oraz energia Wszechświata miała ogromną gęstość i temperaturę. Fizycy nie są zgodni co do tego, co było przedtem ale teoria ogólnej względności przewiduje, że był to stan grawitacyjnej osobliwości.

Termin Wielki Wybuch jest używany zarówno w wąskim znaczeniu na określenie momentu, gdy zaczęło się obserwowane rozszerzanie się Wszechświata oraz 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 "rozdymania" przestrzeni jako takiej (porównaj także model Friedmana).

Historia teorii Wielkiego Wybuchu

Przed powstaniem teorii Wielkiego Wybuchu obowiązywał powszechnie uznawany pogląd, że Wszechświat jest niezmiennym nieporuszającym się układem galaktyk. Pogląd ten wyrażał także Albert Einstein.

Teoria Wielkiego Wybuchu została wypracowana na podstawie rozważań teoretycznych próbujących wyjaśnić obserwacje astronomiczne. Obserwatorzy zauważyli, że większość "mgławic spiralnych" oddala się od Ziemi ale nie byli jeszcze świadomi kosmologicznych implikacji tego faktu (ani tego, że te "mgławice spiralne" to w rzeczywistości galaktyki).

W 1922 roku Aleksander Friedmann wyprowadził równania postulujące rozszerzanie się Wszechświata. Niezależnie od niego, w 1927 roku wyprowadził je również Georges Lemaître, co doprowadziło go do wysunięcia hipotezy pierwotnego atomu. Jego prace zostały w 1929 roku potwierdzone przez obserwacje Edwina Hubble'a. Zaobserwował on, że galaktyki wykazują przesunięcie ku czerwieni wprost proporcjonalne do ich odległości od Ziemi - fakt ten znany jest obecnie jako prawo Hubble'a. Biorąc pod uwagę zasadę kosmologiczną, która stanowi, że Wszechświat jest jednorodny i izotropowy, z prawa Hubble'a wynika, że cały Wszechświat rozszerza się.

Pojawiły się więc dwie alternatywy. Jedną była teoria stanu stacjonarnego autorstwa Freda Hoyle'a, Thomasa Golda i Hermanna Bondiego, która zakładała, że Wszechświat jest z grubsza niezmienny w czasie. Drugą była teoria Lemaître'a rozwijana dalej przez George'a Gamowa. Paradoksalnie, została ona nazwana przez jej głównego oponenta - Hoyle'a - który mówił o niej pogardliwie "teoria wielkiego bum" (ang. big bang theory). Nazwa ta jednak się przyjęła.

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 COBE, WMAP i kosmicznego teleskopu Hubble'a możliwe stały się pomiary o niespotykanej wcześniej precyzji, które doprowadziły do odkrycia, że tempo rozszerzania się Wszechświata wydaje się przyspieszać.

Model Gorącego Wielkiego Wybuchu

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 kelwinów, 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 kelwinów, kwarki zaczęły się łączyć w protony i neutrony.

Co było przed?

Teoria Wielkiego Wybuchu nie daje odpowiedzi na pytanie "Co było przed?". W szczególności nie mówi:

1. czy Wielki Wybuch jest absolutnym początkiem fizycznego świata (wtedy na gruncie kosmologii pytanie "co było przed Wielkim Wybuchem?" traci sens).

2. czy jest tylko względnym początkiem nowego stadium (tzn. że świat fizyczny istniał już wcześniej, tylko nieznana jest jego postać).

Tym niemniej, Leon Max Lederman, jeden z największych autorytetów tematu, napisał:

"Na Samym Początku była pustka - zadziwiająca forma próżni - nicość nie zawierająca żadnej przestrzeni, żadnego czasu, żadnej materii, żadnego światła, żadnego dźwięku. Jednak prawa natury były na swoim miejscu i ta dziwna próżnia posiadała potencjał. [...] W logiczny sposób opowieść zaczyna się od początku. Ale ta opowieść dotyczy wszechświata i, niestety, nie mamy żadnych danych na temat Samego Początku. Żadnych, zero. Nie wiemy nic o wszechświecie, aż do momentu, gdy osiąga on dojrzały wiek bilionowej trylionowej części sekundy - to jest, pewnego bardzo krótkiego czasu po stworzeniu w Wielkim Wybuchu. Kiedy czytasz lub słyszysz cokolwiek na temat narodzin wszechświata, to ktoś to zmyśla. Jesteśmy w sferze filozoficznych rozważań. Tylko Bóg wie co stało się na Samym Początku."^[1]

Do powyższej opinii przychyla się większość czołowych uczonych, jak np. Stephen Hawking. Teoria ta w sposób oczywisty niesie ze sobą kilka nierozwiązanych jak dotąd problemów:

1. wybuch nicości przy jednoczesnym samoistnym stworzeniu wszystkiego ex nihilo nie został poparty jakimkolwiek empirycznym doświadczeniem oraz przeczy znanym nam prawom fizyki;

2. teoretyczny brak jakiegokolwiek procesu czy zmian prowadzących do wybuchu (z racji braku istnienia czegokolwiek) przeczy przyczynowo-skutkowym zasadom wszelkich zmian we wszechświecie;

3. skoro przed Wielkim Wybuchem nie istniała żadna materia, nie zachodziły żadne procesy fizyczno-chemiczne oraz specyficzna próżnia pozostawała w stanie stabilnym (teoretycznie od nieskończenie długiego czasu, którego nie sposób odmierzyć) to dlaczego wybuch miał miejsce 13 miliardów lat temu, a nie tryliony lat wcześniej lub później?

Stephen Hawking, podobnie jak i inni uczeni, porusza te zagadnienia w swoich bestsellerowych publikacjach, nie potrafi jednak udzielić odpowiedzi na powyższe pytania. W jednej ze swoich prac poświęconych kosmologii pisze nawet:

"Uważam, że kiedykolwiek zaczynamy omawiać początki wszechświata dochodzimy do czysto religijnych wniosków."^[2]

Klaudia Maćkowska

1a

Pojęcia

Wszechświat - w astrofizyce i kosmologii cała czasoprzestrzeń i zawarta w niej materia i energia.

Kosmologia (z gr. kósmos - wszechświat oraz lógos - słowo, nauka) może być definiowania w najszerszym znaczeniu jako nauka (w sensie wiedzy nie tylko w rozumieniu współczesnej nauki) o kosmosie. Jest wynikiem poszukiwania odpowiedzi na pytanie o pochodzenie, ewolucję i strukturę Wszechświata.

Galaktyka (z gr. γαλα - mleko) jest dużym, grawitacyjnie związanym układem gwiazd, pyłu i gazu międzygwiazdowego oraz niewidocznej ciemnej materii. Typowa galaktyka zawiera od 10⁷do 10¹² gwiazd, orbitujących wokół środka masy galaktyki.

Prawo Hubble'a jest podstawowym prawem kosmologii obserwacyjnej, wiążącym odległości galaktyk r z ich tzw. prędkościami ucieczki v (których miarą jest przesunięcie ku czerwieni z). Prawo to mówi, iż te dwie wielkości są do siebie proporcjonalne, a stałą proporcjonalności jest stała Hubble'a

H₀:

v = H₀r

Izotropia (izotropowość) (gr. isos 'równy, jednakowy'; trópos 'zwrot, obrót') to brak różnic właściwości fizycznych materiałów, takich jak np: rozszerzalność termiczna, przewodnictwo elektryczne czy współczynnik załamania światła, niezależnie od tego w jakim kierunku są one mierzone. Przeciwieństwem tego pojęcia jest anizotropia.Izotropowość jest cechą ciał amorficznych oraz kryształów układu regularnego.

Zasada kosmologiczna - postulat mówiący, że Wszechświat jest jednorodny i izotropowy w dużych skalach (w przestrzeni trójwymiarowej).

Postulat ten ma przesłanki filozoficzne (żadne miejsce we Wszechświecie nie powinno być wyróżnione), a także obserwacyjne. Obserwacje te dotyczą zarówno izotropowości kosmicznego promieniowania tła, jak również rozkładu galaktyk w skali setek megaparseków.

---