Wielki Wybuch

Rozszerzanie się Wszechświata zapoczątkował Wielki Wybuch
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) – najwcześniejsze znane wydarzenie w obserwowalnym Wszechświecie, jego najwcześniejsza znana faza (etap) ewolucji, a jednocześnie nazwa modelu tego procesu. Według tego scenariusza ok. 13,799 ± 0,021 mld lat temu[1] miał miejsce Wielki Wybuch – z bardzo gęstej i gorącej materii wyłonił się znany Wszechświat, tzn. obserwowana przez człowieka materia, energia i oddziaływania. W niektórych wariantach tego modelu Wielki Wybuch zaczyna się od początkowej osobliwości[2] i wyłania się z niego sama czasoprzestrzeń (przestrzeń i czas).

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-Lemaître’a, w powiązaniu ze słabą zasadą kosmologiczną. Obserwacje te wskazują, że Wszechświat rozszerza się od stanu, w którym cała materia Wszechświata miała bardzo dużą gęstość i temperaturę, który jest identyfikowany z grawitacyjną osobliwością.

Etymologia

Określenia Wielki Wybuch (ang. Big Bang) w odniesieniu do powyższego modelu po raz pierwszy użył Fred Hoyle, nadając temu określeniu pejoratywny wydźwięk. Sam jednak później 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[3].

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-Bethego-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

Przed powstaniem teorii Wielkiego Wybuchu obowiązywał powszechnie uznawany pogląd, że Wszechświat jako całość (rozpatrywany w największej skali) jest niezmienny w swej budowie i wieczny. Pogląd ten popierał początkowo między innymi Albert Einstein[4].

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, co zinterpretował jako dowód, że galaktyki oddalają 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 to wówczas określano.

W 1922 roku Aleksandr Friedman 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 ksiądz Georges Lemaître. Poszedł jednak dalej w swoich przewidywaniach i stwierdził, 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 termin „pierwotny atom”. Swoje wyniki Lemaître przedstawił na Kongresie Solvaya w Brukseli (wśród słuchaczy znalazł się Albert Einstein). Obserwacje Lemaître’a nie zostały dobrze przyjęte przez fizyków (zwracano uwagę, że Lemaître był księdzem, a jego model początku Wszechświata pokrywa się z opisem stworzenia świata według Biblii). Lemaître twierdził, że jego teoria jest czysto naukowa i jest niezależna od poglądów religijnych. Obserwacje Lemaître’a zostały zaakceptowane po opublikowaniu prac Edwina Hubble’a i Miltona Humasona na temat odległości i prędkości radialnych galaktyk[5].

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-Lemaître’a. Jeśli wziąć pod uwagę zasadę kosmologiczną, która stanowi, że Wszechświat jest jednorodny i izotropowy, z prawa Hubble’a-Lemaître’a wynika, że cały Wszechświat rozszerza się.

Pojawiły się dwie główne teorie wyjaśniające ten stan. Pierwszą była teoria stanu stacjonarnego autorstwa Freda Hoyle'a, Thomasa 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[5]. Istniały też inne teorie, np. Hannes Alfvén był zwolennikiem tzw. kosmologii plazmowej.

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. Współcześnie 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 kosmicznemu teleskopowi Hubble’a możliwe stały się pomiary o niespotykanej wcześniej precyzji, które doprowadziły do odkrycia, że tempo rozszerzania się Wszechświata wydaje się przyspieszać[6].

W listopadzie 2011 roku amerykańscy naukowcy ogłosili odkrycie dwóch gazowych chmur (leżących 12 mld lat świetlnych od Ziemi), które składają się wyłącznie z wodoru. Chmury są pozostałością materii, która powstała kilka minut po Wielkim Wybuchu. Michele Fumagalli i J. Xavier Prochaska z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz wraz z Johnem O'Mearą z Saint Michael's College obserwowali położonego za obłokami kwazara, który przeświecał przez chmury. Naukowcy wykorzystali do badań spektroskop HIRES pracujący na 10-metrowym teleskopie Keck I. Skład chmur udało się określić po zaobserwowaniu promieniowania kwazara przefiltrowanego przez gazowe chmury. Każdy pierwiastek chemiczny pochłania światło o innej długości fali, w wyniku czego zaobserwowano w analizie spektroskopowej promieniowania linie absorpcyjne odpowiadające wodorowi i jego izotopowi deuterowi. Teleskop nie zaobserwował linii węgla, tlenu i krzemu[7].

Przegląd zagadnienia

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 niezwykle 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 bariony – protony i neutrony.

Współcześnie obserwacje przemawiające za prawdziwością modelu Wielkiego Wybuchu to: zjawisko ucieczki galaktyk, istnienie mikrofalowego 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 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.

„Przed” wielkim wybuchem

Czas nie istniał przed Wielkim Wybuchem, ale zaczął się wraz z nim, dlatego nie można mówić o czymś „przed” początkiem Wszechświata, natomiast kwestią do dyskusji jest mechanizm lub „przyczyna” Wielkiego Wybuchu, w szczególności w związku z pojawiającą się w teoriach możliwością istnienia początkowej osobliwości. Rozważane są jednak teorie, które mają usunąć osobliwość przez opis Wszechświata w większej liczbie wymiarów, w tym czasowych[8].

Według scenariusza opartego o kosmologię bran możliwe jest, aby nasz Wszechświat powstał w wyniku jednego z powtarzalnych etapów rozszerzania i zapadania przestrzeni[9]. Istnieją również modele kwantowe, niewymagające narzucanych przez standardowy Wielki Wybuch i ogólną teorię względności warunków brzegowych, jak i osobliwości[10][11][12]. Nie rozwiązują one jednak paradoksów wiecznego Wszechświata (w tym pulsującego) wynikających z drugiej zasady termodynamiki[8].

Powszechne błędne przekonanie

Wielki Wybuch był "mały": Mylące jest wizualizowanie Wielkiego Wybuchu poprzez porównanie jego wielkości do przedmiotów codziennego użytku. Opisana wielkość wszechświata w Wielkim Wybuchu odnosi się do wielkości obserwowalnego wszechświata, a nie całego wszechświata[13].

Religijne i filozoficzne interpretacje

Jako opis pochodzenia wszechświata, Wielki Wybuch ma znaczący wpływ na religię i filozofię[14][15]. W rezultacie stał się jednym z najbardziej żywych obszarów w dyskursie między nauką a religią[16]. Niektórzy wierzą, że Wielki Wybuch implikuje twórcę[14][17], a niektórzy widzą jego wzmiankę w swoich świętych księgach, podczas gdy inni twierdzą, że kosmologia Wielkiego Wybuchu sprawia, że pojęcie stwórcy jest zbędne[18].

Zobacz też

Przypisy

  1. ↑ Planck Collaboration: Planck 2015 results. XIII. Cosmological parameters. InSpire, 2015-02-05. s. 31. [dostęp 2016-05-08]. (ang.).
  2. ↑ Wielkiego Wybuchu teoria, [w:] Encyklopedia PWN [online] [dostęp 2021-07-30].
  3. ↑ 'Big bang' astronomer dies. news.bbc.co.uk, 2001-08-22. [dostęp 2018-07-25]. (ang.).
  4. ↑ A.A. Friedman. Über die Krümmung des Raumes. „Zeitschrift für Physik”. 10 (1), s. 377–386, 1922. DOI: 10.1007/BF01332580. Bibcode: 1922ZPhy...10..377F. (niem.). 
  5. ↑ a b Magda Siuda. Wielki Wybuch vs. stan stacjonarny. „Kosmos Tajemnice Wszechświata – encyklopedia astronomii i astronautyki”. 45, s. 21-23, 2012. Oxford Educational. ISSN 978-83-252-1666-5. 
  6. ↑ Andrzej Kotarba. Hubble. Najsłynniejszy z kosmicznych teleskopów. „Kosmos Tajemnice Wszechświata – encyklopedia astronomii i astronautyki”. 45, s. 15, 2012. Oxford Educational. ISSN 978-83-252-1666-5. 
  7. ↑ Ewa Zegler-Poleska. Kwadrans po Wielkim Wybuchu. „Kosmos Tajemnice Wszechświata – encyklopedia astronomii i astronautyki”. 44, s. 3, 2012. Oxford Educational. ISSN 978-83-252-1665-8. 
  8. ↑ a b The Beginning of Time, Stephen Hawking [dostęp 2019-01-07] [zarchiwizowane z adresu 2014-10-06] (ang.).
  9. ↑ Paul J. Steinhardt, Neil Turok. A Cyclic Model of the Universe. „Science”. 296 (5572), 05-2002. DOI: 10.1126/science.1070462. arXiv:hep-th/0111030v1. (ang.). 
  10. ↑ 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.). 
  11. ↑ 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.). 
  12. ↑ No Big Bang? Quantum equation predicts universe has no beginning, phys.org [dostęp 2018-12-23] (ang.).
  13. ↑ Charles H. Lineweaver, Tamara M. Davis, Expanding Confusion: Common Misconceptions of Cosmological Horizons and the Superluminal Expansion of the Universe, „Publications of the Astronomical Society of Australia”, 21 (1), 2004, s. 97–109, DOI: 10.1071/AS03040, ISSN 1448-6083 [dostęp 2018-12-23] (ang.).
  14. ↑ a b James Franklin Harris, Analytic Philosophy of Religion, Springer Science & Business Media, 31 maja 2002, ISBN 978-1-4020-0530-5 [dostęp 2018-12-23] (ang.).
  15. ↑ Tom Frame, Losing My Religion: Unbelief in Australia, UNSW Press, 2012, ISBN 978-1-74224-038-1 [dostęp 2018-12-23] (ang.).
  16. ↑ Peter Harrison, The Cambridge Companion to Science and Religion, Cambridge University Press, 24 czerwca 2010, ISBN 978-0-521-71251-4 [dostęp 2018-12-23] (ang.).
  17. ↑ William Lane Craig, The Ultimate Question of Origins: God and the Beginning of the Universe, Springer, Dordrecht, 2000, s. 723–740, DOI: 10.1007/978-94-011-4114-7_85, ISBN 978-94-010-5801-8 [dostęp 2018-12-23] (ang.).
  18. ↑ Stephen Hawking, Krótka Historia Czasu, Zysk i s-ka wydawnictwo, 1988, ISBN 978-83-7506-149-9.

Linki zewnętrzne

Chronologia Wszechświata

Universe expansion2.png

Kosmologia fizyczna
Wczesny Wszechświat
Promieniowania tła
grawitacyjne
mikrofalowe
neutrinowe
Rozszerzający się Wszechświat
Powstawanie struktur
Przyszłość Wszechświata
Składowe
Eksperymenty
Znani uczeni

Ilc 9yr moll4096.png

Media użyte na tej stronie

Universe expansion2.png
Shows slices of expansion of universe without an initial singularity
Ilc 9yr moll4096.png
CMB Images

IMAGES > CMB IMAGES > NINE YEAR MICROWAVE SKY

http://map.gsfc.nasa.gov/media/121238/index.html

Nine Year Microwave Sky

The detailed, all-sky picture of the infant universe created from nine years of WMAP data. The image reveals 13.77 billion year old temperature fluctuations (shown as color differences) that correspond to the seeds that grew to become the galaxies. The signal from our galaxy was subtracted using the multi-frequency data. This image shows a temperature range of ± 200 microKelvin.

Credit: NASA / WMAP Science Team

WMAP # 121238

Image Caption

9 year WMAP image of background cosmic radiation (2012)
Expansion de l'univers.gif

Animation montrant une expansion de l'univers ralentie

Variante en expansion accélérée
Universe expansion-en.svg
Autor: png: User:Fredrik; vectorized:Waterced, Licencja: CC BY-SA 4.0
This illustration shows abstracted "slices" of space at different points in time. It is simplified as it shows only two of three spatial dimensions, to allow for the time axis to be displayed conveniently.