Ewolucja Wszechświata

Podstawą teorii Wielkiego Wybuchu, jest założenie, iż ok. 15 miliardów lat temu wszelka obecna dzisiaj materia i energia, była skupiona w pojedynczym nieskończenie małym punkcie, o nieskończenie dużej temperaturze. I w pewnym momencie punkt ten zaczął się błyskawicznie powiększać i jednocześnie ochładzać. Owo błyskawiczne rozszerzanie się nazywamy dzisiaj Wielkim Wybuchem. W miarę rozszerzania się temperatura ulegała obniżeniu i gdy była 100 milionów razy większa, od temperatury Słońca narodziły się oddziaływania które dzisiaj obserwujemy, a jedynymi cząstkami były kwarki. Gdy temperatura spadła i była już tylko 100 000 razy większa niż temperatura Słońca, cały Wszechświat był wielkości naszego Układu Słonecznego. Wtedy także kwarki zaczęły łączyć się ze sobą tworząc protony i neutrony. Wszechświat nadal się rozszerzał i gdy był już 1000 razy większy niż Układ Słoneczny, rozpoczął się tzw. proces nukleosyntezy, czyli łączenia się protonów i neutronów w jądra atomowe. W ten sposób powstały najstarsze jądra wodoru, helu, czy deuteru. Do tego momentu Wszechświat był jeszcze bardzo młody, bowiem istniał dopiero jedną minutę. Wciąż był bardzo gorący, co uniemożliwiało połączenie się powstałych jąder z elektronami i powstanie neutralnych atomów.

Atomy narodziły się dopiero w 300 000 milionów lat później, wtedy to Wszechświat na tyle się rozszerzył, że jego temperatura spadła do takiego poziomu, przy którym elektrony mogły związać się z jądrami i stworzyć pierwsze neutralne atomy. W owym czasie Wszechświat był tylko 1000 razy mniejszy niż jest dzisiaj. Następnie powstałe atomy zaczęły zbijać się w wielkie obszary gazowe, z których następnie powstawały gwiazdy. W miarę rozszerzania się Wszechświata, gdy ten już osiągnął 20% dzisiejszej wielkości, gwiazdy te zaczęły zbijać się w gromady tworząc zalążki galaktyk.

Gdy Wszechświat osiągnął już połowę swoich dzisiejszych rozmiarów, w wyniku reakcji syntezy jądrowej jaka zachodziła w rdzeniach gwiazd, powstała już większość pierwiastków tworzących dzisiejsze planety. Gdy wszechświat osiągnął już 2/3 dzisiejszej wielkości powstał nasz Układ Słoneczny. Jest on dosyć młody, gdyż jego wiek ocenia się na ok. 5 miliardów lat. Wszechświat cały czas ewoluuje, jednak powstała populacja gwiazd zaczyna powoli zanikać - cały dostępny materiał gazowy, został już wykorzystany na ich budowę. Za kolejnych 15 miliardów lat, Wszechświat nie będzie już dla nas tak rozgwieżdżony jak jest dzisiaj.

Opisany proces ewolucji Wszechświata, to wynik lat ogromnej pracy fizyków, astrofizyków i astronomów, teoria ta jest jednym z największych osiągnięć ludzkości XX wieku. To wynik obserwacji astronomicznych, prowadzonych przez teleskopy naziemne, oraz te znajdujące się w przestrzeni kosmicznej. Dzięki nim możemy obserwować bardzo odległe części Wszechświata, poznając w ten sposób jego wygląd gdy był młody. Ale nie tylko bezpośrednie obserwacje za pomocą teleskopów pomogły nam zrozumieć ewolucję Wszechświata. To także wyspecjalizowane detektory umieszczane w poruszający się w przestrzeni satelitach i sondach kosmicznych. Dzięki nim zbadano jakie promieniowanie jest obecne w kosmosie, jakie cząstki w nim się poruszają. To także eksperymenty w akceleratorach, pozwalające poznać podstawowe prawa fizyki, jakie rządzą materią znajdującą się we Wszechświecie, i opisujące także jak zachowywała się ta materia w momencie narodzin Wszechświata.

Teoria Wielkiego Wybuchu bywa także nazywana Standardowym Modelem Kosmologicznym i jest swego rodzaju podsumowaniem wszelkich wyników otrzymanych z danych zebranych przy dotychczasowej obserwacji Wszechświata. Teoria ta zakłada, iż Wszechświat nadal się rozszerza, w ten sam sposób we wszystkich kierunkach, od momentu gdy zajmował nieskończenie małą objętość. Model ten nadal w wielu aspektach wymaga wyjaśnień, np.: co się działo z Wszechświatem prze Wielkim Wybuchem i jego ekspansją, jak jest przyszłość Wszechświata, co się stanie gdy już wszystkie gwiazdy wypalą się. Jednakże jest to teoria na tyle spójna i nie stwarzająca większych problemów, że uznawana jest obecnie za jak najbardziej wiarygodną i jedyną słuszną.

Wszechświat, zawsze budził zainteresowanie różnych grup ludzi, filozofów, teologów, czy mistyków. Przedstawiali oni swoje punkty widzenia dotyczące natury Wszechświata, nie rzadko opierające się na czystych domniemaniach. Jednak nauka akceptuje tylko to, co ma swoje potwierdzenie w doświadczeniu i obserwacji. Dzięki geniuszowi Alberta Einsteina, znamy dzisiaj podstawowe zależności pomiędzy masą, energią, przestrzenią i czasem. Związki te sformułował i zebrał w Ogólnej Teorii Względności - teorii, która została już gruntownie zweryfikowana i potwierdzona. Einstein przedstawił swój pogląd na postać Wszechświata. Według niego cała materia ma rozkład jednorodny, a cały Wszechświat jest na dużych skalach statyczny, czyli zawsze jest tej samej postaci. Rosyjski uczony A. A. Friedman badając analizując prace Einsteina doszedł do wniosku, iż najmniejsze zaburzenie wprowadzone do takiego Wszechświata może spowodować, jego rozszerzanie się lub kurczenie. Gdy Friedman formułował swoje wnioski, w amerykański uczony V. Sliphet, jako pierwszy wykazał oddalanie się galaktyk od siebie. W kilka lat później Hubble ogłosił prawo, nazywane prawem Hubble'a i głoszące, że galaktyki oddalają się od siebie z prędkościami proporcjonalnymi do ich odległości względem Ziemi.

W ten sposób stwierdzono, że skoro Wszechświat się rozszerza to musiał istnieć pewien moment w jego ewolucji, kiedy to był skupiony w niewielkiej przestrzeni. Pewien angielski uczony F. Hoyle nie akceptując takiej teorii iż dzisiejszy Wszechświat powstał z małego punktu, nazwał tą teorię nazwą "Bing Bang" czyli Wielki Wybuch, chcąc ją w ten sposób ośmieszyć. Jednak nazwa okazała się na tyle ciekawa, iż przyjęła się jako oficjalna nazwa tej teorii. Jest ona trochę myląca, ponieważ narodziny Wszechświata, zupełnie nie przypominały wybuchu, który możemy porównywać do eksplozji z ogniem i fajerwerkami. W momencie powstania Wszechświata nie istniały jeszcze, ani światło, ani dźwięk. Wszystko to powstało dopiero po Wielkim Wybuchu. Tym bardziej jest to mylne porównanie, ponieważ w zwykłym wybuchu odłamki poruszają się z dużymi prędkościami w pustej przestrzeni. W przypadku Wszechświata, to nie galaktyki poruszają się w przestrzeni, a sama przestrzeń w której się znajdują ulega rozszerzaniu się. Rozszerzanie się Wszechświata, ma bardzo niewielki wpływ na zwiększanie się rozmiarów galaktyk. Proces ten można porównać do wypieku ciasta z rodzynkami. Rodzynki to galaktyki znajdujące się w cieście, czyli przestrzeni. Ciasto podczas wypieku ulega rozszerzaniu, a co za tym idzie rodzynki znajdujące się w nim oddalają się od siebie. Prędkość ich oddalanie jest natomiast proporcjonalna do ich wzajemnej odległości między sobą.

Ekspansja Wszechświata jest bezsprzecznie faktem potwierdzonym naukowo. Już od lat trzydziestych XX wieku, zbierane są wszelkiego rodzaju dane potwierdzające ekspansję. Najlepszym dowodem jest obserwowane przesunięcie ku czerwieni w rejestrowanym widmie galaktyk. Wynika to bezpośrednio z ruchu obiektu emitującego promieniowanie. Długość fali tego promieniowania ulega wydłużeniu w kierunku barwy czerwonej. Im szybciej źródło promieniowania się porusza ( w naszym przypadku galaktyka) tym większe obserwujemy przesunięcie ku czerwieni. Obserwacje Hubble'a wykazały, iż to przesunięcie jest tym większe im większa jest odległość galaktyki od Ziemi. Doprowadziło to Hubble'a do sformułowania swego prawa w postaci wzoru

v = Hd

w którym 'v' oznacza prędkość galaktyki, 'd' oznacza jej odległość od Ziemi, a 'H' jest uniwersalną stałą, zwaną stałą Hubble'a.

Dla najbliżej położonych galaktyk, przesunięcie to jest niewielkie, ale już dla obiektów położonych bardzo daleko takich jak kwazarów pozwala stwierdzić, iż obiekty te poruszają się z prędkościami bliskimi prędkości światła (ok. 0,9c).

Dalsze obserwacje Hubble'a pozwoliły na sformułowanie kolejnego ważnego wniosku, dzisiaj nazywanego zasadą kosmologiczną. Zasada ta mówi nam, że Wszechświat na dostatecznie dużej skali jest jednorodny, i z każdego punktu obserwacji wygląda bardzo podobnie. Jeżeli się nad tym zastanowić, to widać iż zasada ta jest bezpośrednią konsekwencją jednorodnej ekspansji Wszechświata. Jeśli przyjrzymy się najbliższemu otoczeniu naszej galaktyki to zauważymy, iż w pewnych miejscach można zaobserwować więcej galaktyk a w innych mniej. Jednak gdy poszerzymy nasze pole obserwacji spostrzeżemy iż rozkład ten staje się jednorodny. Nasza galaktyka wraz z 23 innymi galaktykami tworzy grupę, która z kolei należy do struktury określanej mianem Lokalnej Supergromady. Z obserwacji wynika, że niejednorodności gęstości materii znikają w miarę jak poszerzamy zakres wszechświata, który bierzemy po uwagę.

W prawie Hubble'a prędkość oddalania się galaktyk jest bezpośrednio związana z ich odległością od nas. Czyli aby poznać tą prędkość, należy wyznaczyć odległość galaktyki od Ziemi. Pomiar odległości galaktyki opiera się na pomiarze pozornej jasności galaktyki. Jeśli mamy dwie galaktyki, to gdy pierwsza z nich świeci 4 razy słabiej to oznacza że znajduje się ona 2 razy dalej niż pierwsza. Metoda ta wzbudziła wątpliwości u krytyków teorii Big Bang'u. Twierdzili oni bowiem, iż to że galaktyka świeci słabiej wcale nie musi oznaczać, że znajduje się w większej odległości od nas. To mógłby być prawdziwy problem dla teorii Wielkiego Wybuchu, gdyby nie to, że istnieją jeszcze inne metody badawcze pozwalające udowodnić, że rzeczywiście promieniowanie bardziej przesunięte ku czerwieni pochodzi od galaktyki położonej dalej od nas. Jedną z tych metod jest metoda soczewkowania grawitacyjnego. Polega ona na fakcie, iż światło, czy inne promieniowanie elektromagnetyczne ulega ugięciu przy przechodzeniu koło obiektu o bardzo dużej masie. Obiektem takim może być galaktyka, ugina ona światło pochodzące od innego obiektu, stające się w ten sposób swoistego rodzaju soczewką. Soczewka taka ugina światło od obiektu znajdującego się "za nią" ( jeśli patrzeć od kierunku Ziemi) i tworzy obrazy tego obiektu. I okazuje się, iż obiekty które są "soczewkowane" mają zawsze większe przesunięcie ku czerwieni niż same soczewki. W ostatnich lata, astronomowie odkryli ponad tuzin obiektów, które pełnią rolę soczewek grawitacyjnych.

Potwierdzenie prawa Hubble'a ma ogromne znaczenie, ponieważ dzięki niemu, oprócz tego, że potwierdza ono ekspansję, możemy również ustalić wiek Wszechświata. Jednak nie jest to tak proste, ponieważ stała Hubble'a we wzorze opisującym prawo Hubble'a w rzeczywistości nie jest stałą wartością. Zmienia się ona w czasie, a wiek Wszechświata zależy od jej obecnej wartości. Jednak jak na razie nie udało się astronom zmierzyć dokładnie jej zależności od czasu. Stałą tą można jednak oszacować, badając średnią gęstość materii we Wszechświecie. Ponieważ szybkość ekspansji jest związana z hamującym przyciąganiem grawitacyjnym, uważa się, iż w przeszłości, gdy średnia gęstość materii była większa, tempo ekspansji było większe niż obecnie. Jeśli uwzględnimy materię znajdującą się tylko w gwiazdach, galaktykach i innych tym podobnych strukturach, to wiek Wszechświata można oszacować na 12 - 20 miliardy lat. Jeśli jednak przyjąć, iż Wszechświat wypełnia tzw. ciemna materia to wiek Wszechświata można oszacować na dużo młodszy, bo 7 - 13 miliardów lat. Dodatkowo jeśli założenie o ciemnej materii okaże się prawdziwe, to Wszechświat w przyszłości, powinien przestać się rozszerzać.

Poprawne wyznaczenie szybkości ekspansji Wszechświata jest o tyle ważne, że pozwala na zweryfikowanie Teorii Wielkiego Wybuchu. Bowiem, jeśli rzeczywiście jest ona poprawna, to wszystkie obiekty, które możemy obserwować, powinny być młodsze niż wiek Wszechświata, obliczonego na podstawie prawa Hubble'a. Dlatego też astronomowie intensywnie prowadzi badania dotyczące średniej gęstości materii w przestrzeni.

Zbadano wiek różnych obiektów. Na przykład oszacowano wiek najstarszych gwiazd które znajdują się na obrzeżach naszej galaktyki, na ok. 9 mld lat. Oszacowania te przeprowadzono na podstawie pomiaru czasu stygnięcia tych gwiazd będących białymi karłami. Jednak szacując tempo spalania się gwiazd znajdujących się w bliskim otoczeniu naszej galaktyki, tzw. halo, obliczono ich wiek na ok. 15 mld lat. Tyle samo lat mają najstarsze wykryte pierwiastki, tego oszacowania natomiast dokonano na podstawie pomiaru tempa rozpadu promieniotwórczego. To co widać po tych oszacowaniach to to, że liczby te zgadzają się z wiekiem Wszechświata, obliczonym na podstawie pomiaru prędkości jego rozszerzania się.

Istnieje inna teoria, która potrafi wyjaśnić rozszerzanie się Wszechświata, oraz jego jednorodność. Teorią taką jest tzw. teoria stanu stacjonarnego, zaproponowana 1946 przez panów F. Hoyla, H. Bondiego, T. Golda. W teorii tej ekspansja Wszechświata ma cały czas to samo tempo nie przyspiesza, ani nie zwalnia. Powstała zmiana średniej gęstości materii, jest cały czas równoważona poprzez spontaniczne powstawanie materii. W teorii tej stare gwiazdy są zastępowane przez nowe powstałe z wytworzonej materii. Konsekwencją bezpośrednią tej teorii, jest to, iż jakakolwiek próbka pobrana z jednego miejsca we Wszechświecie, powinna mieć te same właściwości, co próbka pobrana ze zgoła innego miejsca. Stwierdzenie to jest w sprzeczności z założeniami teorii Wielkiego Wybuchu, która mówi o tym, iż bliższe galaktyki powinny wydawać się starsze niż te bardziej odległe. Wiąże się to ze skończoną prędkością światła, które dociera do nas - światło pochodzące od odległej galaktyki potrzebuje więcej czasu na dotarcie do nas. To co obserwowalibyśmy to galaktykę z większą ilością gwiazd i gazu niż u galaktyki, która znajduje się bliżej nas.

Pomysł w sumie raczej oczywisty, jednak nie tak prosty do zrealizowania technicznego. Metoda pozwalająca na zbadanie, czy tak rzeczywiście jest, okazała się na tyle kłopotliwa, że dopiero po kilkudziesięciu latach astronomom udało się skonstruować tak czułe detektory, aby to zmierzyć. Dzięki tym detektorom, możliwe okazało się bardziej szczegółowe badanie odległych galaktyk. W wyniku obserwacji okazało się, iż odległe galaktyki mają bardziej wydłużone kształty, a czasami nawet zupełnie nieregularne. Natomiast galaktyki bliższe nam mają sferyczne rozkłady gwiazd.

Kolejne badania także wykazały różnice pomiędzy galaktykami bliższymi i dalszymi. Okazało się bowiem, iż w odległych galaktykach obserwujemy intensywne procesy tworzenia gwiazd, przez co światło dobiegające do nas od gromad takich galaktyk ma odcień niebieskawy. Obserwacje za pomocą teleskopu Hubble'a wykazały, iż narodziny tych gwiazd, są związane z procesem zderzania się galaktyk - procesem bardzo rzadkim w naszej epoce. Natomiast zupełnie inaczej wyglądają gromady galaktyk położone bliżej nas, światło docierające do nas od nich ma odcień czerwieni. Dzieje się tak dlatego, iż proces powstawania gwiazd w nich dawno już się skończył.

Skoro galaktyki systematycznie oddalają się od siebie, to wydaje się oczywiste, że kiedyś w historii wszechświata, musiały znajdować się blisko siebie. W początkach rozwoju teorii Wielkiego Wybuchu, pewien belgijski uczony G. Lemaitre ogłosił śmiałą tezę, iż Wszechświat miał swój początek będąc w postaci tzw. "superatomu" - będącego nieskończenie gęstą materią. Według jego hipotezy, promieniowanie takiego atomu powinno być wykrywalne po dzień dzisiejszy.

We wczesnym stadium rozwoju Wszechświata, kiedy to jego rozmiary jeszcze były niewielkie, takie promieniowanie nie mogło przebyć dużych dystansów ponieważ było natychmiast pochłaniane i emitowane prze cząstki. W wyniku takich procesów możliwe było ustalenie się równowagi termodynamicznej w układzie. Gdy materia i energia znajdują się w takiej równowadze to energia promieniowania, o określonej częstotliwości (długości fali) zależy od temperatury. Widmo takiego promieniowania ma charakterystyczny kształt dla określonej długości fali i temperatury. Więc zaczęto się zastanawiać, czy jeżeli rzeczywiście ta hipoteza jest słuszna to może można wykryć takie promieniowanie, będące niejako echem Wielkiego Wybuchu - tzw. promieniowanie tła.

W początkach lat 60 Laboratoria Bella rozpoczęły pracę z wynalezionym przez Dicka'a, radiometrem mikrofalowym, który potrafił wykrywać promieniowanie o bardzo niskim natężeniu. W celu śledzenia satelitów komunikacyjnych zamontowali oni w swoim radioteleskopie tenże radiometr i bardzo się zdziwili, kiedy okazało się, że radioteleskop zarejestrował promieniowanie zupełnie nieznanego im pochodzenia. Gdy panowie Wilson i Penzias dowiedzieli się, że Dicke sugerował wcześniej, że być może jego radiometrem możliwe stanie się wykrycie promieniowania tła, wykazali że to co zarejestrował radioteleskop to w istocie poszukiwane promieniowanie.

Po tej rewelacji, rozpoczęto badania nad tymże promieniowaniem. Astronomowie zbudowali w tym celu specjalnego satelitę o nazwie COBE - COsmic Backqround Explorer, oraz wykorzystali jeszcze kilka mniejszych rakiet. Według przewidywań teoretycznych promieniowanie to powinno mieć zasadniczo dwie cechy - powinno wypełniać przestrzeń w sposób jednorodny, czyli jego temperatura powinna być we wszystkich kierunkach taka sam, oraz kształt tego widma powinien być taki sam jak kształt widma ciała będącego w równowadze termodynamicznej o temperaturze 2,726 K - temperaturze bliskiej zera absolutnego. Spadek temperatury promieniowania tła jest bezpośrednio związany z ekspansją Wszechświata, jak to już w 1930 roku wykazał R. Tolman.

I rzeczywiście dane które zebrali astronomowie potwierdziły te oczekiwania. Odkryte promieniowanie tła, jest bezpośrednim i najmocniejszym dowodem tego, iż Wszechświat w momencie swoich narodzin stanowił przestrzeń wypełnioną materią o nieskończenie dużej gęstości i nieskończenie wysokiej temperaturze. I od takiego stanu rozpoczęła się jego ekspansja.

Kolejną hipotezą związaną z teorią Wielkiego Wybuchu, a która znajduje swoje potwierdzenie w obserwacjach, jest teoria powstania pierwiastków. Otóż pierwsze pierwiastki powstały w wyniku reakcji termojądrowych jakie zachodziły we wczesnym gęstym, gorącym Wszechświecie. Według obliczeń teoretycznych pierwiastki te powinny powstać w odpowiednich proporcjach. Proporcje te według zgadzają się nad wyraz dobrze z obserwacjami. Z dalszych obserwacji wynika, że jako pierwsze powstały pierwiastki lekkie, takie jak wodór czy hel, a pierwiastki ciężkie powstały dopiero w wyniku reakcji termojądrowych zachodzących we wnętrzach gwiazd.

Po II wojnie światowej naukowcy wykorzystali zdobytą wiedzę podczas badania reakcji jądrowych i opracowali teorię opisującą w jaki sposób powstają lekkie pierwiastki. Swoje prace odnieśli do sytuacji wczesnego gorącego Wszechświata, obliczając jakie pierwiastki mogły wtedy powstać.

Pomimo tego, iż ich teoria okazała się jednak daleka od prawdy, ich pionierskie badania przyczyniły się w ogromnej mierze do połączenie badań kosmologicznych z fizyką jądrową. W ten sposób uczeni zauważyli, iż wczesny Wszechświat był swoistego rodzaju reaktorem jądrowym. Przyjmując ten model Wszechświata fizycy, byli w stanie obliczyć jakie proporcje powinny być pomiędzy powstałymi pierwiastkami, i jak one powinny się zmieniać wraz z ewolucją Wszechświata.

Bardzo ważną kwestią, która nie jest jeszcze do końca dobrze wyjaśniona, jaki mechanizm sprawił, że w jednorodnym rozszerzającym się Wszechświecie powstał dzisiaj znany nam rozkład galaktyk. Badanie promieniowanie tła wykazało iż jest ono praktycznie jednorodne, a pozostałe fluktuacje jakich powinniśmy się spodziewać po powstałych galaktykach są raczej małe. Jednak są już teorie tłumaczące małe wielkości tych fluktuacji.

Oprócz tego jest także kwestia powstania i rozwoju życia. Wydaje się, że biorąc pod uwagę ogrom Wszechświata, w którym tylko w widzialnej przez nas części znajduje się ok. 100 miliardów gwiazd, istnieje wiele okazji do powstania życia. Ale na powstanie życia zostały narzucone pewne warunki czasowe. Otóż według teorii Wielkiego Wybuchu, Wszechświat w pierwszej fazie swego rozwoju był miejscem za gorącym na powstanie życia, takiego jakim go dzisiaj rozumiemy. Jednak Wszechświat ewoluuje, gwiazdy nadal jeszcze powstają, ale wiele z nich także umiera i pozostaje coraz mniej planet na których mogłoby rozwinąć się życie. W przyszłości, za ok. 30 miliardów lat, jeśli Wszechświat nadal będzie się rozszerzał, wszystkie gwiazdy w końcu zgasną i Wszechświat pozostanie miejscem bardzo ciemnym i zimnym. Jest jednak jeszcze inna możliwość. Według niej Wszechświat nie będzie się rozszerzał w nieskończoność, w pewnym momencie jego ekspansja ulegnie zatrzymaniu i rozpocznie się czas kurczenia. Cała materia i energia ponownie połączy się w całość, tworząc stan z momentu Wielkiego Wybuchu.

Nadal istnieje wiele niepewności wokół Teorii Wielkiego Wybuchu. Nie wiemy jak Wszechświat wyglądał przed swoimi narodzinami, ani jaka była przyczyna jego powstania. Nie wiemy także czy nasz Wszechświat jest jedynym, czy może otoczony jest innymi Wszechświatami, tak samo rozszerzającymi się jak "nasz". Zastanawiamy się także dlaczego wiele fundamentalnych stałych ma takie wartości a nie inne. Jest wiele nadal pytań czekających na odpowiedzi. Każda teoria kosmologiczna próbująca dać odpowiedź na te pytania i na wiele im podobnych powinna bezwzględnie i bezsprzecznie zgadzać się z obserwacjami, bo tylko w ten sposób będziemy jej pewni. Pod tym względem teoria Wielkiego Wybuchu, sprawdza się jak na razie znakomicie. Wiele hipotez przedstawionych w niej, a takich jak ekspansja, proporcje pierwiastków, czy promieniowanie tła, zostały na podstawie obserwacji sprawdzone i potwierdzone. Kosmologia już dawno stała się dziedziną bardziej fizyczną niż filozoficzną, dlatego powinny rządzić nią tylko i wyłącznie fakty i obserwacje naukowe.

Kilka chwil po Wielkim Wybuchu.

W momencie Wielkiego Wybuchu, gdy cała materia, energia, przestrzeń i czas, skupione były w obszarze o nieskończenie małej objętości. W punkcie tym, wszystkie oddziaływania jakie znamy dzisiaj, (elektromagnetyczne, jądrowe silne i słabe, grawitacyjne) tworzyły jedno zunifikowane oddziaływanie. Taka jest nasza dzisiejsza wiedza na temat tego jak Wszechświat wyglądał w chwili swych narodzin. Wszystko to nagle uległo specyficznej "eksplozji" dając początek rzeczywistości, którą dzisiaj oglądamy i badamy. Jeśli chodzi o pierwsze chwile po Wielkim Wybuchu, nie mamy tutaj żadnych wyników doświadczalnych czy obserwacyjnych pochodzących z sytuacji w której materia i energia znajdowały by się w tak ekstremalnych warunkach. Jednak istnieją pewne modele i teorie dzięki którym, możemy z dużym prawdopodobieństwem określić dokładnie co się wtedy działo.

Wszechświat jako punkt istniał do czasu określanego czasem Plancka i wynoszącym 10-43 s. Po tym czasie nastąpił etapowy rozkład zunifikowanego oddziaływania. Jako pierwsze oddzieliło się oddziaływanie grawitacyjne, następnie w chwili 10-36 s po Wielkim Wybuchu oddzieliło się oddziaływanie jądrowe, pozostawiając zunifikowane oddziaływanie elektrosłabe (elektromagnetyczne i jądrowe słabe). Przewidywania z 1970 roku panów S. Glashowa i H. Georgi, sugerowały iż oddziaływania jądrowe, elektromagnetyczne i słabe, powinny w stanie unifikacji posiadać energię 1014 GeV. To z kolei, jeśli skorzysta się przy tym z koncepcji energii cieplnej, prowadzi do stwierdzenia, iż cząstki musiały mieć wtedy średnią temperaturę 1027 K. Mimo tego, że oddziaływania jądrowe już istniały oddzielnie, było one na tyle wysokie energetycznie, iż nie mogły powstać układy związanych kwarków - protony i neutrony. Zamiast tego przestrzeń była wypełniona gorącą "zupą kwarkową".

Do czasu 10-32 s Wszechświat znajdował się w tzw. erze inflacji. W tym okresie jego rozmiary powiększyły się 1020 razy. Inflacja jest teorią jak na razie nie sprawiającą problemów, radzi sobie nawet z zagadnieniami dotyczącymi horyzontu zdarzeń.

Po zakończeniu ery inflacji Wszechświat wypełniony był energią w postaci fotonów kwarków i innych cząstek elementarnych. Ponieważ materia miała ogromną wtedy gęstość nie mogły powstać stany związane tych cząstek, tworzących inne złożone cząstki. To co wtedy istniało określa się mianem tzw. "plazmy kwarkowo glonowej" - mieszaniny kwarków, antykwarków i glonów, która trwała do czasu 10-5 s. Natomiast trochę wcześniej, bo do czasu 10-12 s oddziaływanie elektrosłabe uległo rozłączeniu na oddziaływania jądrowe słabe i elektromagnetyczne. Gdy Wszechświat już żył jedną mikrosekundę, schłodził się do temperatury 1013 K, która to już nie przeszkadzała łączeniu się kwarków w protony i neutrony ( a także przypuszcza się że w inne bariony ). Pomimo tego, że istniały już wszystkie obecnie znane cząstki elementarne, materia nadal była zbyt gorąca aby mogły powstać jądra atomowe.

Następny opisywany okres nazywany jest Standardowym Modelem Wielkiego Wybuchu.

Do czasu 0,02 s po Wielkim Wybuchu istniały już pozytony i elektrony które anihilując ze sobą dostarczały energii. Temperatura Wszechświata wynosiła wtedy 1011 K, a jego gęstość była 4 miliardy razy większa od gęstości wody. Fotonów istniało dużo więcej niż barionów (protony i neutrony to przykłady barionów - cząstki złożone z 3 kwarków), gdyż na jeden barion przypadało miliard fotonów. Obecnie, od momentu wprowadzeni w fizyce cząstek tzw. zasady zachowania liczby baronowej, przyjmuje się, że ich ilość we Wszechświecie jest stała.

W dalszym etapie ewolucji Wszechświat gdy jego wiek wynosił już 0,1 s, rozszerzając się nadal, zmniejszył swoją gęstość do 30 milionów razy większej niż gęstość wody, a temperatura spadła do 1010 K. W tej temperaturze wolne neutrony mogły już swobodnie ulegać rozpadowi się na protony. Gdy czas osiągnął już 1 sekundę, Wszechświat był na tyle przezroczysty, iż neutrina mogły się w nim swobodnie poruszać. Nadal jednak był zbyt gęsty, aby materia mogła przepuszczać promieniowanie elektromagnetyczne. Protonów nadal przybywało, przez co zmniejszała się liczba neutronów, tak że ich wzajemne proporcje wynosiły 76% do 24%.

Następnie do czasu ok. 13 sekund, wskutek anihilacji, liczba pozytonów i elektronów drastycznie spadła. Zaczęły się formować pierwsze niestabilne ( ponieważ panująca temperatura 109 K nadal była zbyt wysoka) jądra atomowe, takie jak hel.

W chwili 3 minut po Wielkim Wybuchu, Wszechświat w większości wypełniają fotony. Prawie wszystkie elektrony i pozytony anihilowały, a protonów jest ponad sześć razy więcej niż elektronów. Rozpoczyna się proces formowania jąder deuteru, w które zamieniają się neutrony łącząc z protonami. Jądra deuteru, łącząc się z kolejnym protonem i neutronem zamieniają się w jądra helu. Helu powstaje tak dużo, że w ówczesnym Wszechświecie stanowi on 1/4 całej jego masy. Co jest bardzo ciekawe, to to, że neutrony mogłyby całkowicie zaniknąć i zamienić się w protony gdyby tylko ekspansja przebiegała w wolniejszym tempie. Wtedy to nie powstałyby żadne atomy. W pół godziny po Wielkim Wybuchu, ustały przemiany jądrowe we Wszechświecie, a nadal trwało jego rozszerzanie się i ochładzanie.

Atomy powstały dopiero w 700 000 lat po Wielkim Wybuchu, kiedy Wszechświat stał się na tyle chłodny (temperatura wynosiła 3000K), że elektrony mogły stworzyć związane stany z jądrami atomowymi. W wyniku powstania neutralnych atomów, zjonizowane gazy uległy zanikowi. A przez to przez Wszechświat mogło nareszcie rozpocząć podróż promieniowanie elektromagnetyczne, czyli także widzialne światło.

Promieniowanie tła - promieniowanie reliktowe.

Według teorii, Wszechświat po Wielkim Wybuchu cały czas ulega rozszerzaniu się i stopniowemu ochładzaniu. Zgodnie z tą teorią, powinien być on wypełniony pewną pozostałością po Wielkim Wybuchu, swoistego rodzaju echem przeszłości - tzw. mikrofalowym promieniowaniem tła, w skrócie CMB. Promieniowanie to zostało zapostulowane już w 1948 roku przez G. Gamowa, a także w dwa lata później przez R. Alphera i R. Hermana. Odkryte jednak zostało dopiero w 1965 roku w dość nieoczekiwany sposób. W wyniku badań jakie prowadził radioteleskop Laboratoriów Bella nad sztucznymi satelitami, zarejestrowano dziwne szumy w odbiornikach, których zupełnie się niespodziewano. Jako, że na Uniwersytecie Princeton naukowcy byli w trakcie prac nad metodą pomiaru promieniowania tła, gdy tylko dowiedzieli się o wynikach badań Laboratoriów Bella, natychmiast doszli do wniosku, że to faktycznie jest poszukiwane mikrofalowe promieniowanie tła. Penzias i Wilson za udowodnienie, iż rzeczywiście rejestrowane szumy to promieniowanie tła, pozostałość po Wielkim Wybuchu, otrzymali w 1978 r. Nagrodę Nobla.

Promieniowanie tła dochodzi do nas ze wszystkich kierunków i ma tak niską temperaturę (ok. 2,7 K), że jest promieniowaniem z zakresu mikrofal. Gdyby jednak oko ludzkie mogło je rejestrować, to moglibyśmy je zobaczyć jako jednolicie świecące. Jednolitość ta jest świadectwem tego, iż wypełnia ono w sposób jednorodny cały Wszechświat. A jako, że ciężko jest wyobrazić sobie, iż tak jednolite promieniowanie może mieć jakieś lokalne źródło, stanowi pozostałość po Wielkim Wybuchu. Mimo tak niepodważalnego dowodu, wielu naukowców nadal stara się znaleźć inne wytłumaczenie, jednak bez jakichkolwiek efektów. Wykorzystując fakt, że promieniowanie to jest pozostałością po Wielkim Wybuchu, badając je można uzyskać wiele interesujących informacji na temat wczesnych faz rozwoju Wszechświata.

Oczywiście promieniowanie tła, nie zawsze miało tak niską temperaturę. Jako, że Wszechświat cały czas podlega ekspansji, wcześniej w swej historii był mniejszy i bardziej gorący. Gdy w przeszłości stanowił on połowę swojej dzisiejszej wielkości a gęstości materii była 8 razy większa niż dzisiaj promieniowanie tła miał dwa razy wyższe temperaturę niż dzisiaj. Gdy stanowił on 1% dzisiejszych rozmiarów, promieniowanie tła miało temperaturę zera absolutnego, czyli 273 K (temperatura ta odpowiada temperaturze 0 0C). Przestrzeń wtedy wypełniał wodór z gęstością 8000 atomów/cm3. Natomiast gdy 100 milionów razy mniejszy niż dzisiaj temperatura promieniowania tła wynosiła 273 miliony stopni K. Wszechświat wtedy był tak gęsty jak atmosfera przy powierzchni Ziemi. Temperatura była wtedy tak wysoka, że nie istniały atomy, a jedynie wolne elektrony i jądra atomowe. Fotony z których złożone jest promieniowanie tła, ulegały wielokrotnemu rozpraszaniu na swobodnych elektronach. Zupełnie analogicznie rozprasza się światło, gdy porusza się ono we mgle. Takie złożone wielokrotne rozpraszanie fotonów, jest określane jako termiczne widmo fotonów. Widmo to powinno mieć kształt widma ciała doskonale czarnego, co faktycznie zostało zarejestrowane przez satelitę COBE. Dokładność pomiarów przeprowadzonych przez COBE, nie pozostawia wątpliwości, rejestrowane promieniowanie to rzeczywiście poszukiwane promieniowanie tła będące pozostałością po Wielkim Wybuchu.

Teoria Inflacji.

To z czym nadal ma problem Standardowy Model Wielkiego Wybuchu, to to, że model ten mówi tylko o tym, że materia tworząca Wszechświat już istniała, lecz nic nie wspomina o tym skąd się wzięła. Jednak Teoria Inflacyjna dokładnie opisuje w jaki sposób cała materia Wszechświata, mogła być zamknięta w kilkugramowym "ziarenku" miliard razy mniejszym od protonu.

Obie te teorie różnią się w pewnych zasadniczych aspektach. Według teorii Inflacji do czasu 10-37 s po Wielkim Wybuchu, średnica Wszechświata wynosiła 10-52 cm, a jego masa zaledwie kilka gramów, czyli miał być dużo mniejszy i nie zawierać całej dzisiejszej masy jak to przewiduje Standardowy Model Wielkiego Wybuchu. Teoria Inflacji w odróżnieniu do SMWW przewiduje także błyskawiczną ekspansję Wszechświata po czasie

10-37 s, w czasie której powstała cała dzisiejsza materia. Gdy ekspansja ta się zakończyła, rozmiar Wszechświata był taki jak przewiduje to SMWW. Szybkość tej ekspansji nie stwarza problemów, w wyniku tak małego pierwotnego rozmiaru Wszechświata, prędkość światła nie jest tu żadnym ograniczeniem. Wszechświat miał wtedy na tyle dużo czasu aby w tak niewielkim obszarze ustaliła się jednorodna temperatura. A gdy już się to stało, uległ on w wyniku inflacji rozciągnięciu do rozmiarów obecnego obserwowalnego przez nas Wszechświata.

Dalsze zmiany rozmiarów Wszechświata przewidziane przez Teorię Inflacji zgadzają się z przewidywaniami Standardowego Modelu Wielkiego Wybuchu. Szybkość tej ekspansji nie stwarza problemów, w wyniku tak małego pierwotnego rozmiaru Wszechświata, prędkość światła nie jest tu żadnym ograniczeniem.

Zaletą modelu Wszechświata wynikającego z Teorii Inflacji, jest to że możemy oszacować jego aktualny rozmiar, który jest 1023 razy większy niż obszar przez nas obserwowalny. Dodatkowo teoria ta nie ma nic przeciwko istnieniu innych Wszechświatów oddzielonych od naszego.

Teoria Inflacji powstała gdy w wyniku problemów z modelami Friedmana wrócono do dwóch koncepcji Wszechświata - Wszechświata pustego i podlegającego ekspansji, oraz do rozwiązań wykorzystujących stałą kosmologiczną, a według których przebieg ekspansji mógł być eksponencjalny. Koncepcje te nabrały teraz nowych kształtów w świetle ostatnich osiągnięć teorii pola.

Teoria Inflacji, mówi także o tym, że dla okresu inflacji, obserwatora nie może zobaczyć całego Wszechświata, że istnieje pewien horyzont zza którego nie dojdą do obserwatora, żadne sygnały świetlne, bez względu na czas obserwacji. Oddalające się natomiast w wyniku ekspansji obiekty i obszary, uciekają poza horyzont obserwacji. Tak rozumiana ekspansja może także wytłumaczyć jednorodność promieniowanie reliktowego, oraz płaskość naszego świata.

Teoria Inflacji to nie jedna teoria, ale zbiór wielu, które cały czas ewoluują w kolejne odmiany wykorzystujące coraz to inne parametry i prawa fizyczne, takie jak grawitacja, struny, czy spin.