Wielki Wybuch - czyli powstanie Wszechświata

Powstanie Wszechświata szacuje się na piętnaście miliardów lat temu, kiedy to miał miejsce tzw. "Wielki Wybuch". Na samym początku jego wymiary były bardzo, wręcz niewyobrażalnie małe, a jego gęstość bardzo duża i temperatura niezwykle wysoka. Jednak w miarę upływu czasu zaczął się rozszerzać aż osiągnął średnicę 30 miliardów lat świetlnych. W trakcie tego rozprzestrzeniania się, masa ulegała zagęszczeniu, w skutek czego powstawały miliardy gwiazd. Te z kolei skupiają się w galaktyki, jakich powstało około 10 miliardów. Kolejnymi stopniami ugrupowania są gromady galaktyk, supergromady, a między nimi rozlega się obszar pustej przestrzeni.

O Wielkim Wybuchu w teorii

Zagadką jest nadal to, co działo się w chwili początkowej Wielkiego Wybuchu. Szacuje się, że około 15 miliardów lat temu, gdy wymiary Wszechświata nie przekraczały swą wielkością atomowego jądra, doszło do podziału bardzo silnych oddziaływań natury elektromagnetycznej i jądrowej, w wyniku którego wytworzona została ilość energii wystarczająca do zapoczątkowania poszerzania się Wszechświata w notacji wykładniczej. W pierwszym ułamku sekundy po Wielkim Wybuchu szybkość ekspansji Wszechświata była tak duża, że wymiarami przekraczał trzykrotną objętość Słońca. Jak widać, na tym nie poprzestał. Już w kilka chwil po wybuchu zaczęły formować się pierwsze jądra pierwiastków (helu oraz wodoru), a z ich atomów powstały gazowe obłoki (jak wykazały dalsze badania to właśnie ich masa pod wpływem własnego oddziaływania grawitacyjnego zaczęła się zapadać mniej więcej 14 miliardów lat temu). Po upływie około 2 miliardów lat, te gazowe obłoki uformowały się w galaktyki. Galaktyka Mlecznej Drogi, w której leży nasz układ słoneczny, liczy sobie przynajmniej 10 miliardów lat. Narodziny Słońca miały miejsce prawdopodobnie 5 miliardów lat temu, po czym rozpoczął się proces modelowania planet z zawieszonych w próżni kosmicznej pyłów oraz gazów, których końcu wyłoniła się Ziemia.

W chwili obecnej uważa się, że teoria Wielkiego Wybuchu jest jednym z nielicznych sensownych prób wytłumaczenia przyczyny powstania wszechświata. Wiadomo już, że jego początkowa gęstość i temperatura były niewyobrażalnie wysokie. Bezpośrednim następstwem Wielkiego Wybuchu było wytworzenie się promieniowania a wraz z nim różnorodnych cząstek elementarnych Wciąż możemy stwierdzić obecność tego rodzaju promieniowania, zwanego promieniowaniem mikrofalowym tła

Fakty przemawiające za Wielkim Wybuchem

Najbardziej przekonywującym argumentem uzasadniającym prawidłowość tej teorii, jest właśnie mikrofalowe promieniowanie tła. To niezwykle słabe promieniowanie przyczyniło się do potwierdzenia ekspansji Wszechświata, którą założył Eddwin Hubble (1880- 1953). Nieco później amerykański uczony, George Gamow (1904- 1968), doszedł do wniosku, że skoro miał miejsce początek Wszechświata, to jest to równoważne z powstaniem po nim promieniowania, z początku o niezwykle wysokiej temperaturze, jednak ze względu na ciągłą ekspansję, temperatura ta zmalała do wartości odnotowanej w naszych czasach.

Oddalone od nas galaktyki

Ciekawych dowodów na istnienie tej teorii mogą dostarczyć prace badawcze na temat odległych galaktyk. Ponieważ światło biegnie ze stałą prędkością 300 000 km/s, zdefiniowano specjalną miarę odległości jaka są lata świetlne- czyli odległość, jaką pokonuje światło w przeciągu jednego roku. Jeżeli więc jakaś galaktyka oddalona jest od naszej o np. 13 miliardów lat świetlnych, to ich obraz ukazuje stan z przed 13 miliardów lat (czyli około 2 miliardów lat po Wielkim Wybuchu). A ponieważ ich gęstość jest większa niż tych bliższych galaktyk, można wnioskować, że Wszechświat miał kiedyś większą gęstość, a co za tym idzie, był mniejszy.

Cząstki elementarne: ich detekcja i akceleracja

W nadziei na rozwikłanie tajemnicy genezy Wszechświata, uczeni pracują nad odtworzeniem pierwotnych warunków panujących bezpośrednio po Wielkim Wybuchu. Pomocne w tym są akceleratory, gdzie dwa strumienie cząstek elementarnych, skierowanych w przeciwne strony zderzają się z prędkością porównywalną do prędkości światła, przy wydzieleniu energii. Właśnie ta energia prowadzi do utworzenia się kolejnych cząstek, które zostawiają ślady w komorze pęcherzykowej. Urządzenie to przy pomocy ciekłego wodoru doprowadza cząstki do stanu wrzenia, by potem, przelatując przez przegrzaną ciecz, zostawiały za sobą ślady w postaci pęcherzyków pary. Silne, jednorodne pole magnetyczne umożliwia potem rozróżnienie ładunków i pędu poszczególnych cząstek. Eksperymenty te dostarczają wiele istotnych danych na temat stanu początkowego Wszechświata.

Teoria Stanu Stacjonarnego

Ciekawym modelem kosmologicznym zaproponowanym przez Freda Hoyle'a, Thomasa Golda oraz Hermanna Bondi jest teoria Stanu Stacjonarnego. Traktuje ona o niezmiennej gęstości Wszechświata, która pociąga za sobą potrzebę stałego wytwarzania materii mającej zachować równowagę w stosunku do ciągłego rozszerzania się Wszechświata. Jednak odkrycie mikrofalowego promieniowania tła (będącego pozostałością po wybuchu) przez Amo Penziasa oraz Roberta Wilsona (w 1965 roku) poważnie podważyło tę teorię. Mimo wszystko nadal znajduje ona sobie zwolenników. Jak zakłada ta teoria, Wszechświat stacjonarny, ekspandując, pozostawałby zasadniczo niezmieniony w czasie. Wobec tego Wszechświat musiałby zawsze i wszędzie wyglądać tak samo, niezależnie od miejsca obserwacji. Aby ten warunek został spełniony, musiałaby tworzyć się nowa materia. Wedle przewidywań, na 1 dcm sześcienny powstawał by jeden atom w przeciągu 20 lat.

Rozprzestrzenianie się Wszechświata

W latach dwudziestych XX wieku, Edwin Hubble, astronom ze Stanów Zjednoczonych, dokonał niezwykłego odkrycia dotyczącego długości fali. Otóż okazało się, że fale świetlne, które docierają do nas z odległych galaktyk, są o wiele dłuższe niż by można przypuszczać. Jest to tzw. "przesunięcie ku czerwieni", czyli zmiana długości fali następująca między emisją i obserwacją. Zjawisko to może być dowodem na ekspansję Wszechświata.

Zjawisko przesunięcia ku czerwieni i ku fioletowi

Biorąc pod uwagę część widma odpowiadającą światłu widzialnemu, to linie widmowe mogą się przesunąć w kierunku światła o dłuższej fali (a światło widzialne o najdłuższej fali ma kolor czerwony ). Obserwowany obiekt zwiększa swą odległość między nami. Gdy jednak obserwujemy przesunięcie ku fioletowi, ciało porusza się w naszym kierunku.

Kraniec Wszechświata

Do tej pory udało się opisać trzy podstawowe teorie traktujące o przyszłych losach Wszechświata. Pierwsza z nich zakłada jego nieskończoną ekspansję (przy szybkości różnej od zera). Kolejna mówi, że ta prędkość właśnie zmierza do zera. Natomiast według ostatniej Wszechświat kiedyś przestawnie się rozszerzać i gdy przekroczy próg graniczny zacznie się proces odwrotny- Wszechświat zacznie się kurczyć- aż do Wielkiego Kresu.

Przyszłe losy Wszechświata

W sytuacji, gdy rozprzestrzenianie się Wszechświata będzie postępować w nieskończoność, jego gęstość będzie maleć, a odległości pomiędzy kolejnymi galaktykami będą coraz większe. Jednocześnie, temperatura pustej przestrzeni będzie maleć. Gwiazdy kiedyś wygasną. Istnieje jednak teoria, która zakłada, że ekspansja Wszechświata kiedyś się zakończy i zacznie się on kurczyć. Temperatura wówczas wzrośnie do niewyobrażalnych wartości, unicestwi nawet jądra atomowe. Nastąpi Wielki Kres (ang. Big Crunch). Szacuje się, że proces ten rozpocznie się za jakieś 100 miliardów lat. Zależy to jednak od ilości materii zawartej we Wszechświecie. Jak wykazał Albert Einstein, ciała niebieskie zakrzywiają przestrzeń dzięki swej masie skupionej w środku. Zatem jeśli gęstość nie przekroczy wartości granicznej, będziemy mieli do czynienia z nieskończoną ekspansją Wszechświata (pozostanie on otwarty). W przeciwnym razie dojdzie do zahamowania tej ekspansji i rozpocznie się proces odwrotny, mianowicie Wszechświat będzie się kurczyć. Oddziaływania grawitacyjne zachodzące pomiędzy galaktykami będą na tyle silne, by zahamować ich oddalanie się od siebie. Mało tego, galaktyki zaczną się do siebie przybliżać. Taka koncepcja zakłada, że Wszechświat byłby zamknięty i finalnie zagęścił by się do stanu pierwotnego.

Jak zakładają naukowcy, Wszechświat jest otwarty i rozszerza się nieustannie. Jednak uczeni mogą się mylić. Przy źle oszacowanej masie, los Wszechświata może być zupełnie inny.