Big Bang – Wielki Wybuch

Bing Bang, czyli tłumacząc na język polski Wielki Wybuch to termin którym, określa się zbiór zagadnień, hipotez i przypuszczeń dotyczących początków wszechświata. Tworzą one teorię, która opisuje wszechświat w chwili swoich narodzin, a także w kilka chwil po nich. Nie jest to jeszcze kompletna teoria, nadal posiada wiele nieścisłości, jednak w wielu aspektach przeprowadzone doświadczenia przyniosły oczekiwane wyniki. Jednakże w miarę jak teoria ta jest stopniowo udoskonalana i rozwijana, dostajemy coraz więcej pytań na które nie znamy odpowiedzi.

Kluczem do zrozumienia tej teorii jest uświadomienie sobie, iż wszechświat powstał z nieskończenie małego punktu, o nieskończenie dużej temperaturze. Nadal wielu badaczy nie może takiej myśli dopuścić do siebie. W pewnym punkcie przestrzeni istniała osobliwość - w nieskończenie małej objętości, były skupione cztery podstawowe oddziaływania jakie znamy: jądrowe silne, słabe, elektromagnetyczne i grawitacyjne, tworząc jedno fundamentalne oddziaływanie. W tym jednym nieskończenie małym punkcie, skupiona była cała materia, energia przestrzeń i czas, z której powstały później, galaktyki, planety i gwiazdy.

Naukowcy oceniają, iż około 15 miliardów lat temu nastąpiły narodziny wszechświata. Wszystko zaczęło się od nieskończenie małego punktu, mniejszego od atomu, który stał się niejako początkiem niezmierzonego wszechświata. Nazwa Wielki Wybuch jest tu trochę myląca, bowiem narodzinom wszechświata nie towarzyszyła eksplozja znana nam z dzisiejszego świata, ani żadne fajerwerki. Nie było wówczas czasu, ani przestrzeni, a co za tym idzie nie istniały takie zjawiska jak fale akustyczne, czy światło, które towarzyszą wybuchom. Wszystko to powstało dopiero wraz z powstaniem wszechświata. Słowo "wybuch", jest tu stosowane tylko dlatego, że wszechświat otaczała zupełna próżnia, przeciwstawiająca się jego rozszerzaniu. Natomiast Wielki Wybuch należy raczej sobie wyobrażać, jako bardzo szybkie pompowanie balonu, bardzo dobrze obrazujące rozszerzanie się wszechświata we wszystkich kierunkach. Do czasu 10^-42 s po wybuchu, wszechświat miał rozmiar główki od szpilki, a jego temperatura wynosiła 10³² K, więc widać iż określenie "wielki", pojawia się tu raczej tylko ze względów historycznych. Teoria Wielkiego Wybuchu, zawdzięcza swoją nazwę przeciwnikowi jej koncepcji F. Hoyle'owi, który chcąc ją ośmieszyć, tak właśnie ją nazwał.

Tak więc, w pierwszej chwili swych narodzin, wszechświat był bardzo mały i tak gorący, że wszystkie oddziaływania tworzyły jedno, a materia jaką dzisiaj znamy jeszcze nie powstała. W miarę upływu jednak czasu, wszechświat zaczął się ochładzać. Gdy osiągnął już temperaturę 10²⁸ K, zaczęła się tworzyć materia - powstały kwarki, które są składnikami protonów i neutronów. A z jednolitego oddziaływania, odłączyła się grawitacja. Następnie zaczęła się tworzyć tzw. "pierwotna zupa" - zaczęły powstawać kolejne kwarki, a także elektrony, fotony i neutrina, pierwotne składniki materii. Powstały także antycząstki tychże, czyli antykwarki, pozytony i antyneutrina. To trwało do czasu 10^-35 s, po tym czasie nastąpił okres tzw.: inflacji, w którym wszechświat zaczął się rozszerzać, przez co powiększył ponad tysiąc razy swój pierwotny rozmiar. W tym czasie także materia zaczęła oddziaływać z antymaterią (elektrony z pozytonami, neutrina z antyneutrinami, kwarki z antykwarkami), anihilując i jednocześnie wyzwalając przy tym energię. Inflacja trwała do czasu 10^-32 s po wielkim wybuchu.

Anihilacja materii z antymaterią, mogła zakończyć istnienie wszechświata, już w pierwszej fazie jego rozwoju. Jednakże cząstek materii powstało o 0,1% więcej niż cząstek antymaterii, w wyniku czego nie cała materia anihilowała przekształcając się w energię. Cały ten proces anihilacji materii i antymaterii trwał aż do czasu 10^-6 s (mikrosekunda) po wielkim wybuchu. Po tym momencie wszechświat już znacznie się ochłodził, i zwolnił drastycznie swoją ekspansję. Do czasu 10^-5 s po wybuchu, kwarki zaczęły łączyć się w grupy tworząc protony i neutrony, a także inne hadrony. Do około 3 minut po wielkim wybuchu trwał proces nukleosyntezy, w wyniku której powstałe protony i neutrony zaczęły się łączyć ze sobą tworząc w ten sposób jądra wodoru, deuteru, a nawet helu. Przez następnych około 300000 lat , wszechświat nadal kontynuował swoje rozszerzanie się i stopniowo się ochładzał. W tym czasie promieniowanie oddzieliło się od materii, czyli materia stała się przeźroczysta dla promieniowania. Gdy temperatura wszechświata spadła poniżej 10000 K, w milion lat po wielkim wybuchu powstały warunki pozwalające na tworzenie się atomów, jądra mogły stworzyć stabilne układy z elektronami. Protony łączyły się z pojedynczymi elektronami tworząc atomy wodoru, jądra helu wychwytywały pary elektronów tworząc atomy helu. W ten sposób powstały najstarsze atomy we Wszechświecie. Dalszy miliard lub kilka miliardów lat wystarczyło na to, aby powstałe atomy wodoru i helu, pogrupowały się tworząc w ten sposób pierwsze gwiazdy i galaktyki. W gwiazdach, powstały cięższe pierwiastki w wyniku reakcji syntezy.

W poszukiwaniu dowodów istnienia Wielkiego Wybuchu

Do udowodnienia faktycznego istnienia Wielkiego Wybuchu, naukowcy stosują wyspecjalizowane metody astronomiczne, pozwalające im na badania otaczającej nas przestrzeni. Starają się dowiedzieć, co w tej chwili dzieje się z materia, otaczającą nas, oraz co się z nią działo w momencie Wielkiego Wybuchu. To czego się dowiedzieli, okazało się zdumiewającym zjawiskiem. Wynikło bowiem, iż cała materia otaczająca nas, porusza się w specyficzny sposób. W wyniku obserwacji astronomicznych, ustalono iż wszystkie galaktyki, oddalają się od nas i to tym szybciej im dalej są od nas położone. I nie są to prędkości małe, bowiem najbardziej odległe kwazary, oddalają się od nas z prędkością ok. 94% prędkości światła. Oddalanie się galaktyk, opisał swym prawem Hubble, w którym prędkość oddalania się galaktyki jest proporcjonalna od odległości w jakiej się znajduje od Ziemi. Ucieczkę galaktyk, najwygodniej i najrozsądniej można wytłumaczyć tym, iż wszechświat nadal się rozszerza. To z kolei prowadzi do stwierdzenia, iż to nie galaktyki uciekają od nas, a cała przestrzeń otaczająca nas ulega rozciągnięciu i rozszerzaniu się. Wnioskiem z tego iż wszechświat się rozszerza, jest to, iż w pewnej jego historii musiał być dużo mniejszy. W ten sposób, można prześledzić jego ekspansję wstecz dochodząc do momentu w czasie ok. 15 miliardów lat wstecz, kiedy to powinien znajdować się w punkcie. Ten punkt był miejscem Wielkiego Wybuchu. Co ciekawsze, istnieją pewne dowody potwierdzające tą hipotezę, ponieważ odkryto "echa" tego zdarzenia, jakim był Wielki Wybuch. Tym swoistym echem jest tak zwane promieniowanie reliktowe, jest to nadchodzące do nas, ze wszystkich kierunków bardzo słabe promieniowanie mikrofalowe - pozostałość po Wielkim Wybuchu. Zakładając stygnięcie Wszechświata od momentu Wielkiego Wybuchu, promieniowanie to powinno mieć temperaturę 2,37 K. Kiedy w 1960 roku faktycznie odkryto owo promieniowanie reliktowe, nazywane także promieniowaniem tła i sprawdzono iż rzeczywiście ma ono temperaturę 2,37 K, była to wielka reklama na rzecz teorii Wielkiego Wybuchu. Jednak nie wszystko tak pięknie się zgadzało i wyglądało. Otóż promieniowanie to nie powinno być jednolite, powinno posiadać pewne zgęszczenia o wyższej temperaturze i gęstości, które to stanowią zalążki nowych galaktyk. Ostatnie obserwacje przeprowadzone przez satelitę COBE - Cosmic Background Explorer, wydają się wnosić trochę światła w tą sprawę. Wyniki jego obserwacji wskazują bowiem na istnienie pewnym obszarów o podwyższonej temperaturze w promieniowaniu tła. W ten sposób COBE, stworzył swoistego rodzaju "mapę" promieniowania reliktowego, która w tym momencie jest najbardziej przekonywującym dowodem na istnienie Wielkiego Wybuchu. Obecnie jest kilka modeli opisujących rozwój Wszechświata w czasie.

Wszechświat rozszerzający się

Ekspansja Wszechświata nie mogłaby zachodzić, gdyby nie istniała pewna siła, która nadała materii pierwotną prędkość, zapewniająca w ten sposób bezwładność, przeciwstawiającą się grawitacji. Jeśli grawitacja jest mniejsza do bezwładności to wszechświat będzie się rozszerzał w nieskończoność, to z kolei wyznacza moment w czasie w którym ten sam Wszechświat był skupiony w jednym nieskończenie małym punkcie. A moment ten według Lemaitre'a był momentem narodzin Wszechświata.

Rozszerzanie się Wszechświata, znajduje swoje potwierdzenie w wielu obserwacjach. Najlepszym tutaj przykładem są obserwacje Hubble'a, który to zmierzył widmo galaktyk otaczających naszą galaktykę i stwierdził, iż widma te są przesunięte ku czerwieni. Świadczy to o tym, iż galaktyka która emituje takie promieniowanie się porusza. Przesunięcie ku czerwieni jest bezpośrednią konsekwencją efektu Dopplera - długość fali emitowanej przez źródło poruszające się jest większa niż długość fali emitowanej przez to samo źródło będące w spoczynku. Obserwacje Hubble'a dodatkowo pozwalały na wyznaczenie momentu kiedy cała materia była skupiona w jednym punkcie przestrzeni . Na podstawie obliczonej prędkości ucieczki galaktyk, i ich odległości od Ziemi, obliczono iż chwila ta powinna mieć miejsce około 15 miliardów lat temu. I ten moment czasu według Lemaitre'a był początkiem Wszechświata. Fred Hoyle nie zgadzał się z tą teorią i aby ją ośmieszyć nazwał ją Bing Bang, czyli Wielki Wybuch. Teraz nasuwa się pytanie, czy rozszerzanie się Wszechświata, będzie przebiegać w nieskończoność. Odpowiedź na to pytanie jest uzależniona od tego, jak dużo znajduje się materii we wszechświecie. Jeśli jest jej zbyt mało aby zatrzymać ekspansję, to możliwe są dwa rozwiązania:

- wszechświat płaski

- wszechświat otwarty

Wszechświat pulsujący

Amerykański fizyk Dick, podał trochę inny model Wszechświata. W jego modelu, Wszechświat należy rozumieć jako kolejne etapy ekspansji i zapadania się, serię kolejnych Wielkich Wybuchów, po których Wszechświat jest zupełnie inny od poprzedniego. Jak na razie teoria ta ma niewielu zwolenników.

Wszechświat zamknięty

Jeśli materii we Wszechświecie jest wystarczająca dużo, to może się okazać iż oddziaływania grawitacyjne, spowodują zatrzymanie dalszej ekspansji. I gdy galaktyki, oddaliłyby się na maksymalne odległości, Wszechświat zacząłby się kurczyć, do momentu końcowego kiedy to osiągnąłby finalną gęstość materii.