Wielki Wybuch czyli początek wszystkiego

Wstęp

Cały Wszechświat i wszystko co w nim jest — galaktyki, gwiazdy, planety, kobiety, mężczyźni, zwierzęta i bakterie — dawniej ściśnięte było w obiekcie mniejszym niż kropka kończąca to zdanie (tudzież główka szpilki). Teoria ta stanowi część teorii kosmologicznej. Chociaż może się wydawać śmieszna i absurdalna, tak naprawdę traktowana jest bardzo poważnie. Została nazwana teorią Wielkiego Wybuchu.

Ekspansja Wszechświata powoduje, że staje się on coraz rzadszy i chłodniejszy. Oznacza to, że kiedyś musiał być gęstszy i gorętszy. Jego ogrom trudno pojąć wyobraźnią, ale jeśli cofniemy się do początku wszystko staje się łatwiejsze do wyobrażenia. Tak jak zwierze wylęgające się z jaja, jest bardziej skomplikowane niż samo jajo. Kiedyś wszystko było jednością i od tej jedności powinniśmy zacząć.

Statyczny Wszechświat

Pod koniec XIX wieku uczeni uważali, że Wszechświat jest nieskończony i statyczny. Wiele badań i dowodów — zwłaszcza tych dostarczonych przez Einsteina — zaprzeczało jednak tej teorii. Ale nawet Einstein nie odważył się przerwać tych stereotypów i dopasował swój model matematyczny do statycznego Wszechświata. Dopiero po dziesięciu latach idea niestatycznego Wszechświata została potraktowana poważnie przez fizyków. Zrozumieli oni, że za pomocą równań matematycznych i fizyki teoretycznej można stworzyć modele Wszechświata, które znajdą swoje potwierdzenie przez prowadzone z Ziemi obserwacje. Tajemnice Wszechświata można rozwiązać! Było to przełomowe odkrycie. Wtedy właśnie kosmologia stała się pełnoprawną nauką.

Kiedy Einstein wprowadził teorię względności, nie kwestionował on statycznego kosmosu, mimo iż wskazywały na to jego badania. Wynikało z nich, że Wszechświat albo się rozszerza albo kurczy. Wprowadził on zatem stałą kosmologiczną, dzięki której można było dopasować jego równanie do idei statycznego Wszechświata. Jednak inni naukowcy odrzucili stałą kosmologiczną i przyjęli założenie, że Wszechświat się rozszerza. I jak się potem okazało, słusznie. W latach dwudziestych Edwin Hubble uwiarygodnił koncepcję rozszerzającego się Wszechświata. Uzyskał on na to doświadczalny dowód. Dlatego to nie Einsteinowi przypadła zasługa sformułowania koncepcji rozszerzającego się Wszechświata. Powiedział on później, że włączenie do równań stałej kosmologicznej było największym błędem jego życia.

Rozszerzający się Wszechświat

W latach 20. dwóch wybitnych uczonych: Aleksander Friedman i Georges Lemaître zaczęli dokładnie badać i opracowywać ogólną teorię względności Einsteina. Oboje stwierdzili, że skoro Galaktyki się od siebie oddalają, to dawniej musiały być blisko siebie. Jeżeli więc dokonamy ekstrapolacji wstecz wyniknie z niej, że kiedyś musiał istnieć stan, w którym cała materia Wszechświata była skoncentrowana w pojedynczym punkcie o bardzo dużej gęstości. W ten właśnie sposób narodziła się teoria Wielkiego Wybuchu. Nazywana była tak początkowo przez jej przeciwników, jako termin ironiczny, ale potem przyjęła się również wśród jej zwolenników. Ww. naukowcy przewidzieli także przesunięcie (widmowe) ku czerwieni, co zostało później potwierdzone eksperymentami. Takie przesunięcie ku czerwieni wysyłane są do nas z mgławic. Oznacza to, że obiekt oddala się od nas a więc wszystkie mgławice oddalają się od nas.

Hubble oraz jego kolega Milton Humason dowiedli, że im dalej znajduje się mgławica tym większe wykazuje przesunięcie ku czerwieni i tym większa jest jej prędkość. Pomiary Hubble’a wykazały, że mgławice znajdujące się daleko poza Drogą Mleczną to w rzeczywistości inne galaktyki. To właśnie Prawo Hubble’a dostarczyło dowodu na rozszerzanie się Wszechświata. Możemy to przyrównać do ciasta z rodzynkami. Kiedy ciasto rośnie podczas pieczenia, rodzynki oddalają się od siebie wzajemnie. Z punktu widzenia jednej rodzynki, wszystkie pozostałe oddalają się od niej. Podobnie jest z Wszechświatem. Jeśli on — jak nasze ciasto — się rozszerza, to galaktyki — jak nasze rodzynki — powinny się wzajemnie oddalać. Badanie Hubble’a i Humasona wskazywały na taki właśnie model Wszechświata. Jednak nie wszystkie dane się zgadzały. Problem zaistniał przy określaniu wieku Wszechświata. Z badań Hubble’a i Humasona wynikało, że ma on 2 miliardy lat. Jednak z dokładnych badań geologicznych wynikało, że Ziemia liczy sobie co najmniej 4 miliardy lat, a późniejsze obliczenia wykazały, że niektóre gwiazdy i galaktyki mają ok. 10 miliardów lat. Błąd ten wynikał ze zbyt małego pomiaru między Ziemią a galaktykami. Wkrótce jednak został poprawiony przez dwóch naukowców. Mimo iż wiadome było już, że Wszechświat się rozszerza, nie był to koniec sporów. Powstały dwa poglądy na jego dalsze losy. Pierwszy mówił, że Wszechświat będzie się rozszerzał w nieskończoność a drugi, że po pewnym czasie rozszerzania Wszechświat osiągnie moment krytyczny i zacznie się zapadać, prowadząc do Wielkiej Zapaści, czyli do momentu kiedy cała materia skupi się w punkcie o ogromnej gęstości.

Od czasu zaakceptowania Wielkiego Wybuchu, fizycy zaczęli badać teoretycznie strukturę Wszechświata w ułamki sekund po Wielkim Wybuchu. Mogli obliczyć temperaturę w różnych momentach po wybuchu oraz skład wczesnego Wszechświata. Dzięki tym badaniom można było wysunąć przewidywania i potwierdzić je eksperymentami. Dowiedzieliśmy się dzięki temu, że we wczesnym Wszechświecie dominowało bardzo gorące powietrze. Kiedy Wszechświat miał 1 sekundę jego temperatura Wynosiła 10 miliardów stopni, a w trzy minuty później spadła do 1 miliarda stopni. Fizyk rosyjski George Gamow zaproponował model Wszechświata w którym przewidział powstanie wodoru i helu. Stanowią one podstawowy składnik materii gwiazd i galaktyk. Są to najlżejsze pierwiastki i pierwsze, które powstały we wczesnym Wszechświecie. Cięższe pierwiastki występują w ilościach bardzo małych. Obecnie uważa się, że powstają we wnętrzach gwiazd.

Wszystko to stanowiło dowód na potwierdzenie teorii Wielkiego Wybuchu. Jednak najpoważniejszym dowodem byłoby wykrycie promieniowania szczątkowego, czyli pozostałości po gorącym promieniowaniu we wczesnym wszechświecie. Według badań promieniowanie to powinno przenikać cały Kosmos i mieć temperaturę 5 K. Powinno więc nadal istnieć i dawać się wykryć. Zostało jednak wykryte dopiero w latach sześćdziesiątych XX wieku. Arno Penzias i Robert Wilson dokonali tego przez przypadek. Był to jednak najmocniejszy dowód na potwierdzenie teorii Wielkiego wybuchu, za który otrzymali oni w 1978 roku Nagrodę Nobla z fizyki.

Promieniowanie szczątkowe

Jak wspomniałam już wcześniej zostało ono wykryte zupełnie przypadkowo. Zadaniem Penzias’a i Wilson’a było doskonalenie swoich satelitarnych systemów telekomunikacyjnych a jednym z celów była transmisja informacji na częstotliwościach mikrofalowych. Zbudowano w tym celu wielki odbiornik w kształcie tuby o długości ok. 7 m. Dwaj naukowcy byli jednak bardziej zainteresowani radioastronomią, dlatego używali odbiornika do badań fal radiowych odbieranych z Kosmosu. Jednak ich aparatura rejestrowała dziwne zakłócenia, które starali się usunąć. Próbowali wszelkich sposobów — usunęli nawet gołębie odchody gdyż sądzili, że to może być powodem zakłóceń. I to jednak nie pomogło. Z każdej strony odbierali promieniowanie o takiej samej sile. Naukowcy już zaczęli godzić się z porażką. Jednak w 1965 roku zasięgnęli porady Roberta Dicke’a i Jamesa Peeblesa. Po dokładnym przeanalizowaniu szumu okazało się, że jest to tak poszukiwane przez wszystkich promieniowanie kosmiczne pozostałe po Wielkim Wybuchu. Nareszcie odkryto szum wczesnego Wszechświata! Radość była nie do opisania!

Ciekawostki, czyli Wielki cichy Wybuch

Mówiąc o Wielkim Wybuchu każdy może wyobrażać to sobie inaczej. Wielki Wybuch kojarzy się nam przede wszystkim z ogromnym hukiem. Jest to jednak błędne wyobrażenie, gdyż w owym czasie nie mogły istnieć fale akustyczne. Poza tym Wielki Wybuch nie mógł istnieć w przestrzeni ani w czasie, gdyż to że Wszechświat się rozszerzał oznacza że sama czasoprzestrzeń się rozszerzała. Nie możemy powiedzieć co było poza „granicą” rozszerzającego się Wszechświata.

Początkowe rozszerzanie się Wszechświata następowało w niesamowicie szybkim tempie. Od rozmiaru mniejszego niż atom do rozmiaru piłki tenisowej Wszechświat rozszerzył się w przeciągu 10⁻³⁶ sekundy (jedna sekstylionowa sekundy). Natomiast kiedy jego wiek wynosił 10⁻¹² sekundy jego średnica wynosiła już kilka metrów.

Co działo się na samym początku — tego jeszcze nie wiemy. Wszystkie równania opisujące teorię Wielkiego Wybuchu są ważne po upływie 10⁻⁴³ sekundy. Czas wcześniejszy nazywamy czasem Plancka. Do zrozumienia czasu wcześniejszego fizycy próbują użyć teorii kwantów. Nauka powstała z tego połączenia nazywa się kosmologią kwantową badającą tą pierwszą jedną dziesięciomilionową jednej trylionowej jednej trylionowej części sekundy po Wielkim Wybuchu.

Mogło być tak, że Wszechświat nie miał początku a idea „momentu zero” jest pozbawiona sensu. Istnieją scenariusze sugerujące również takie rozwiązanie. Ale tak naprawdę musimy się jeszcze wiele nauczyć, aby móc to stwierdzić.