Teoria wielkiego wybuchu. Rozszerzający się wszechświat.

"WIELKI WYBUCH (Big-Bang), gwałtowna eksplozja bardzo gorącego i bardzo skondensowanego Wszechświata 15-20 mld lat temu, po której rozpoczęła się jego ewolucja"

Wielki Wybuch czyli angielski Big Bang uważany jest za wielce prawdopodobną przyczynę powstania wszechświata. Wielki Wybuch to prawdę mówiąc nie jedna teoria, ale cały ich szereg. Wielki wybuch to cała grupa zagadnień, dociekań i przypuszczeń. Część z tych zagadnień została udowodniona lecz dla większości z nich wielu badaczy wciąż szuka dowodów. Z roku na rok dowiadujemy się coraz więcej, nie wiemy jeszcze jednak na tyle dużo, by zagadnienie to opuściło na zawsze fizykę czysto teoretyczną. Każdy prawdziwy "poszukiwacz prawdy" musi z góry przyjąć że teoria ta ma w sobie z pewnością wiele błędów i niedociągnięć. I choć optymiści mówią, że znamy coraz więcej odpowiedzi, nie powinniśmy się napawać zbyt wielką nadzieją, gdyż wraz z przyrostem odpowiedzi rośnie liczba pytań.
Podstawowym problemem dotyczącej tej teorii jest to, iż wielu badaczy nie może uwierzyć, że coś powstało z niczego. Jeden wybuch wystarczył, aby powstały miliony galaktyk, gwiazd i planet. Przed czasem, określanym jako "czas Plancka" (10-43 sekundy), wszystkie cztery fundamentalne oddziaływania (jądrowe silne, elektromagnetyczne, jądrowe słabe i grawitacyjne) były połączone w jedno. Cała materia, energia, przestrzeń i czas, tworząc jedność, uległy eksplozji z pojedynczego punktu - osobliwości. I tylko tyle wiemy na temat tego okresu.
Nie oznacza to oczywiście tego, że wiemy więcej na temat następnych chwil powstawania wszechświata, jednak nie ma obecnie spójnego modelu obrazującego i tłumaczącego ówczesne wydarzenia w tak ekstremalnych warunkach.
Nazwa omawianego zjawiska - Wielki Wybuch, nie jest trafna. 10-43 sekundy po Wielkim Wybuchu cały Wszechświat zawierał się w kuli wielkości łebka szpilki, a jego temperatura wynosiła 1032K. Na pewno więc nie był „wielki”. Jeżeli zaś chodzi o słowo „wybuch” to próżnia, która go otaczała nie pozwalała mu się rozprzestrzeniać...

Wszystko zaczęło się około 20 miliardów lat temu. Niewyobrażalnie mała, wielokrotnie mniejsza od atomu i niezwykle gorąca kula stała się zalążkiem nie kończącego się wszechświata. Nagromadzona w niej energia spowodowała wybuch. Nie należy wyobrażać go sobie jednak jako eksplozji z błyskiem światła i hukiem pędzącego powietrza. Nie istniały bowiem fale akustyczne ani świetlne, nie było również czasu ani przestrzeni (powstały one dopiero w momencie Wielkiego Wybuchu), a zatem wraz z rozszerzaniem się wszechświata rozszerzała się czasoprzestrzeń. Wielki Wybuch lepiej odzwierciedla nadmuchiwanie balona. Aby balon mógł się powiększyć należy napełnić go powietrzem. Tak właśnie wszechświat począł rozszerzać się we wszystkie strony.
10-42 sekundy po wybuchu wszechświat był tak gorący (miał 1032 K), że cztery główne, znane nam dziś oddziaływania tworzyły jedną całość. Kiedy temperatura opadła do 1028 K zaczęła powstawać pierwsza materia w postaci kwarków (mniejsze od neutronów i protonów), a grawitacja oddzieliła się od pozostałych trzech oddziaływań. Potem powstała "pierwotna zupa", której składnikami były: kwarki, elektrony, neutrina i fotony, które tworzyły materię, oraz ich przeciwne co do ładunku elektrycznego: antykwarki, pozytrony, antyneutrina, które tworzyły antymaterię. Pomiędzy 10-35, a 10-32 sekundy Wszechświat powiększył się co najmniej 1020 razy w porównaniu z rozmiarem wcześniejszym. Jest to tak zwany okres inflacji. W tym czasie materia i antymateria uległy anihilacji. Proces ten polegał na połączeniu się dodatnich ładunków z ujemnymi (kwarki z antykwarkami, elektrony z pozytronami i neutrina z antyneutrinami). W wyniku ich zderzenia wyzwoliła się energia.

W tym momencie historia wszechświata mogłaby się zakończyć. Jednakże na każdy miliard antycząsteczek przypadał miliard i jedna cząstka materii. W ten sposób materia zwyciężyła formując w późniejszych tysiącach i milionach lat galaktyki, gwiazdy i planety. Po zakończeniu procesu anihilacji czyli około 10-6 sekundy po Wielkim Wybuchu Wszechświat się rozszerzył i ochłodził, a piekielny proces tworzenia i destrukcji począł zamierać. Mijają 3 minuty, niektóre protony skupiają się z innym protonami i dwoma neutronami, tworząc w ten sposób jądro helu. Samotne protony tworzą jądra wodoru. Stając się bardziej stabilnymi, kwarki łączą się po 3, tworząc protony i neutrony.
Mija 300.000 lat. Wszechświat w dalszym ciągu kontynuuje swija ekspansję i ochładzanie. Jego temperatura nie przekracza już „marnych” 10 000 stopni Kelwina. Jądra, naładowane dodatnio w zależności od liczby ich protonów, łączą się z naładowanymi ujemnie elektronami: 1 elektron dla jąder wodoru, 2 dla jąder helu. Jest to początek narodzin pierwszych atomów, najstarszych we Wszechświecie. Jeden miliard lat wystarczył aby atomy wodoru (75%) i helu (23%) zgrupowały się dzięki sile grawitacji, tworząc cieplejsze rejony w środku lodowatej przestrzeni kosmosu, dając początek galaktykom.

ęłęóDowody Wielkiego Wybuchu
Szukając dowodów na to, że Wielki Wybuch naprawdę nastąpił, przede wszystkim naukowcy starają się ustalić, co działo się wtedy z materią i co dzieje się z nią dzisiaj. Okazuje się, że materia otacza nas wszędzie dookoła i cała jest w ruchu, wszechświat w specyficzny sposób porusza się. Na przykład naukowcy dokonali zdumiewającego odkrycia. Okazało się bowiem, że wszystkie galaktyki z ogromną prędkością uciekają od Ziemi. Co więcej im galaktyka znajduje się dalej od nas z tym większą prędkością się oddala w pustką. Zależność ta została nazwana Prawem Hubble`a. Najodleglejsze kwazary oddalają się od nas z niesamowitą prędkością bliską 94% prędkości światła. Jedyny rozsądnym wyjaśnieniem jest to, że Wszechświat się rozszerza, a skoro tak jest musiał być kiedyś mniejszy. W wyniku Wielkiego Wybuchu galaktyki rozbiegają się na wszystkie strony. W rzeczywistości jednak to nie galaktyki oddalają się od nas, tylko przestrzeń międzygalaktyczna ulega rozciągnięciu. Prześledzenie wstecz jego ekspansji prowadzi do ciekawych wniosków. Otóż kiedyś Wszechświat był ściśnięty w jednym punkcie i właśnie w tym punkcie, około 15 miliardów lat temu nastąpiła eksplozja dająca początek wszystkiemu. Chociaż część nie do końca zgadza się z teorią Wielkiego Wybuchu, istnieje dowód przemawiający na jej korzyść: obecnie wciąż obserwujemy echa tego zdarzenia. Są to nadchodzące ze wszystkich kierunków przestrzeni nikłe ślady promieniowania mikrofalowego. Jest to tzw. kosmiczne promieniowanie tła lub promieniowanie reliktowe. Obecnie ma ono temp. 2,37 K - tyle, ile jak wyliczono, miałoby w przypadku, gdyby Wszechświat stygł od momentu Wielkiego Wybuchu. Kiedy w 1960 r. po raz pierwszy odkryto promieniowanie tła było ono wielką reklamą dla Wielkiego Wybuchu. Jednak aby mogły powstać galaktyki, we wczesnych stadiach rozwoju Wszechświata musiały istnieć plamy gorąca - drobne fluktuacje gęstości, stanowiące zalążek przyszłych galaktyk. Promieniowanie tła wydaje się jednak jednorodne w całej przestrzeni. Nieco nowości przyniosły w tej dziedzinie wyniki uzyskane przez satelitę COBE (Cosmic Backgropund Explorer), z których wynika istnienie niewielkich niejednorodności temp. promieniowania reliktowego. "Mapa" stworzona przez satelitę COBE jest jak go tej pory najbardziej przekonywującym potwierdzeniem teorii Wielkiego Wybuchu.

ęłęó Model Wszechświata rozszerzającego się
W modelach wszechświata rozszerzającego się, przyciąganiu grawitacyjnemu przeciwstawia się bezwładność ekspansji Wszechświata. Zakłada się, że jakaś siła nadała materii prędkość początkową. To nie wszystko. Gdyby bezwładność ekspansji Wszechświata przewyższała siłę grawitacji, to Wszechświat rozszerzałby się wiecznie. Oznaczałoby to również, że istniała taka chwila, w której Wszechświat był skurczony do minimalnych rozmiarów. Według Lemaitre'a chwila ta wyznaczała początek Wszechświata.

Znaleziono inne dowody przemawiające za rozszerzaniem się Wszechświata. Hubble wykrył, że widmo galaktyk jest przesunięte ku czerwieni, a to oznaczało - jeśli przyjąć, że efekt ten jest spowodowany przez zjawisko Dopplera - że Wszechświat się rozszerza. Na dodatek dane Hubble'a pozwalały się zorientować w skali czasu, jaka wchodzi tu w grę. Znajomość prędkości ucieczki galaktyk i ich odległości od ziemi, pozwalała wyznaczyć moment w przeszłości, kiedy cała materia Wszechświata była ściśnięta w jeden punkt. Chwila ta, która - jak wynika obecnie z obliczeń - wypadała piętnaście miliardów lat temu, wyznaczała według Lemaitre'a moment stworzenia. Dla tego momentu, Fred Hoyle ukuł nazwę Wielki Wybuch. Pierwsze obliczenia uwzględniające prędkości ucieczek galaktyk oraz odległości od nich, dały wynik 1,8 miliarda lat. Potem ten wynik podniesiono do 5 miliardów lat i w końcu do 15 miliardów. Czy rozszerzanie kiedyś się skończy? Zależy to od ilości materii we Wszechświecie. Jeżeli materii jest za mało do zatrzymania ekspansji, to możliwe są dwa modele wszechświata:
- model wszechświata płaskiego
- model wszechświata otwartego

2.3 Model Wszechświata pulsującego
Pulsujący wszechświat to pomysł amerykańskiego astrofizyka R.H. Dicke'ego. W modelu tym wszechświat przechodzi przez kolejne fazy ekspansji, kontrakcji i ponownej ekspansji. Model ten można traktować jako następujące po sobie Wielkie Wybuchy, z których każdy jest nieodróżnialny od pojedynczego Wielkiego Wybuchu. Model ten cieszy się prawdopodobnie najmniejszą popularnością i ma najmniej zwolenników

2.4 Model Wszechświata zamkniętego
Gdyby tej materii było dostatecznie dużo, to jej oddziaływanie grawitacyjne zatrzymałoby proces ucieczek galaktyk, i po osiągnięciu pewnych maksymalnych odległości między galaktykami, odległości te zaczęłyby się zmniejszać. Świat zacząłby się kurczyć, aż zostałoby osiągnięte pewne maksimum gęstości materii. Taki wszechświat nazywamy wszechświatem zamkniętym.