TEORIA WIELKIEGO WYBUCHU

Wielki Wybuch (ang. Big Bang) to model powstania Wszechświata uznawany przez współczesną kosmologię za najbardziej prawdopodobny. Według tego modelu ok. 13,7 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.

Wg modelu Wielkiego Wybuchu, Wszechświat wyłonił się z niesłychanie gęstego i gorącego stanu. Od tamtej pory sama przestrzeń rozszerzała się z biegiem czasu "unosząc" ze sobą galaktyki

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.

Przegląd zagadnienia

Opierając się na pomiarach rozszerzania się Wszechświata, do których wykorzystano obserwacje supernowych typu Ia, pomiarach fluktuacji temperatury kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła oraz korelacji galaktyk, 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 jednolicie 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. W miarę jak Wszechświat dalej rósł stygł, aż w określonej temperaturze zaszła przemiana zwana bariogenezą, podczas której kwarki i gluony połączyły się w bariony takie jak protony 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

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.

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

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

• 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 czytamy lub słyszymy cokolwiek na temat narodzin wszechświata, to ktoś to zmyśla. Jesteśmy w sferze filozoficznych rozważań. Tylko Bóg wie co stało się na Samym Początku.

---