Co Teoria Wielkiego Wybuchu ma wspólnego z „Teorią Wielkiego Podrywu”? Konkurencję

Teoria Wielkiego Wybuchu jest głównym wyjaśnieniem tego, jak powstał Wszechświat. Mówiąc najprościej, zakłada ona, że kosmos, jaki znamy, rozpoczął się od nieskończenie gorącego i gęstego pojedynczego punktu, który  eksplodował z niewyobrażalną prędkością i rozszerzał przez następne 13,8 mld lat, aż do powstania Wszechświata, jaki znamy dzisiaj.

Istniejąca technologia nie pozwala jeszcze naukowcom dosłownie spojrzeć wstecz na narodziny Wszechświata, a większość tego, co wiemy o Wielkim Wybuchu, pochodzi z matematycznych obliczeń i modeli. Astronomowie mogą jednak zobaczyć „echo” ekspansji dzięki zjawisku znanemu jako kosmiczne mikrofalowe tło.

Z obserwatoriów do telewizji

Za moment powstania teorii Wielkiego Wybuchu uważa się 1929 r., kiedy dokonane wcześniej obserwacje dotyczące rozszerzania się Wszechświata zostały potwierdzone przez Edwina Hubble’a (tak, to od niego swoją nazwę wziął słynny teleskop NASA).

Teoria istnieje zatem już dosyć długo, lecz przez lata Wielki Wybuch funkcjonował jako termin głównie w środowisku astrofizyków. Sama angielska nazwa Bing Bang Theory przebiła się do publicznej świadomości dopiero w 2007 r., kiedy na antenie CBS premierę miał serial komediowy o tej samej nazwie, w Polsce funkcjonujący jako „Teoria Wielkiego Podrywu”.

Liczący 279 odcinków i składający się z 12 sezonów serial śledzi losy grupy naukowców - fizyków, astrofizyków i inżynierów kosmicznych. Serial opowiada o przyjaźni, romansach i kłótniach tej grupy. Pierwszy sezon miał swoją premierę 24 września 2007 r., a oficjalne zakończenie serialu nastąpiło 16 maja 2019 r.

Chociaż sam serial nie zagłębiał się zbytnio w naukę, to jednak jego twórcy zatrudnili astrofizyka z UCLA Davida Saltzberga jako konsultanta naukowego na cały czas trwania produkcji. Dzięki Saltzbergowi w słownictwie bohaterów pojawił się żargon naukowy, a tablice w laboratoriach, biurach i mieszkaniach w całym serialu były wypełnione rozmaitymi równaniami i informacjami.

Co ciekawe, z biegiem czasu, jak mówi Saltzberg, tablice te stały się pożądaną przestrzenią, ponieważ naukowcy przesyłali mu nowe prace, które mieli nadzieję, że zostaną tam zamieszczone. W jednym z odcinków nowe dowody na istnienie fal grawitacyjnych zostały narysowane na tablicy, która rzekomo należała do słynnego fizyka Stevena Hawkinga, a słynny naukowiec zatwierdził tekst.

Czytaj także: Supermasywna czarna dziura z początków Wszechświata. Teleskop Hubble’a potwierdził jej istnienie

Największy wybuch ever

Wracajmy do Wielkiego Wybuchu w ujęciu naukowym. Około 13,8 miliarda lat temu wszystko w całym Wszechświecie było skondensowane w nieskończenie małej osobliwości - punkcie o bezgranicznej gęstości i temperaturze.

Nagle rozpoczęła się gwałtowna ekspansja, która sprawiła, że nasz Wszechświat rozszerzył się szybciej niż prędkość światła. Według NASA wszystko to wydarzyło się w ciągu zaledwie pierwszej sekundy od powstania Wszechświata, kiedy temperatura wszystkiego była jeszcze bardzo wysoka - wynosiła około 10 miliardów stopni Fahrenheita (5,5 miliarda stopni Celsjusza). Kosmos zawierał wtedy szeroki wachlarz fundamentalnych cząstek, takich jak neutrony, elektrony i protony - surowce, które stały się budulcem wszystkiego, co istnieje dzisiaj.

Tej wczesnej „zupy” nie dałoby się zobaczyć, ponieważ nie mieściłaby światła widzialnego. Jak twierdzą badacze NASA, wolne elektrony powodowałyby rozpraszanie światła (fotonów) w taki sam sposób, w jaki światło słoneczne rozprasza się od kropel wody w chmurach. Z czasem jednak te swobodne elektrony spotkały się z jądrami i utworzyły atomy neutralne, czyli atomy o równych dodatnich i ujemnych ładunkach elektrycznych. Dzięki temu światło mogło w końcu rozbłysnąć, około 380 tys. lat po Wielkim Wybuchu.

Światło to, nazywane czasem poświatą Wielkiego Wybuchu, jest bardziej znane jako kosmiczne mikrofalowe tło (CMB). Zostało ono po raz pierwszy przewidziane przez Ralpha Alphera i innych naukowców w 1948 r., ale odkryto je dopiero prawie 20 lat później. CMB było obserwowane przez wielu naukowców i misji statków kosmicznych.

Obserwacje satelity Plancka, po raz pierwszy opublikowane w 2013 r., odwzorowały CMB w niespotykanych dotąd szczegółach i ujawniły, że Wszechświat jest starszy niż wcześniej sądzono: ma 13,82 mld, a nie 13,7 mld lat. Misja trwa nadal, a nowe mapy CMB są publikowane okresowo.

Chociaż Wielki Wybuch często opisuje się jako „eksplozję”, to zdaniem wielu badaczy jest to mylące wyobrażenie. W eksplozji fragmenty są wyrzucane z centralnego punktu do wcześniej istniejącej przestrzeni. Gdyby obserwator znajdował się w centralnym punkcie, widziałby, że wszystkie fragmenty oddalają się od niego z mniej więcej taką samą prędkością.

Ale Wielki Wybuch nie był taki. Było to rozszerzenie samej przestrzeni - koncepcja, która wywodzi się z równań ogólnej teorii względności Einsteina, ale nie ma odpowiednika w klasycznej fizyce. Oznacza to, że wszystkie odległości we wszechświecie zwiększają się w tym samym tempie. Dwie galaktyki oddalone od siebie o odległość X oddalają się od siebie z tą samą prędkością, podczas gdy galaktyka znajdująca się w odległości 2X oddala się z dwukrotnie większą prędkością.

Zdaniem większości badaczy Wszechświat nie tylko się rozszerza, ale rozszerza się coraz szybciej. Oznacza to, że z czasem nikt nie będzie w stanie dostrzec innych galaktyk z Ziemi, ani z żadnego innego punktu w naszej galaktyce.

 - Będziemy widzieć odległe galaktyki oddalające się od nas, ale ich prędkość rośnie z czasem – zaznaczył w jednej z publikacji astronom z Uniwersytetu Harvarda Avi Loeb. - Jeśli będziemy czekać wystarczająco długo, to w końcu jakaś odległa galaktyka osiągnie prędkość światła. Oznacza to, że nawet światło nie będzie w stanie wypełnić luki, która powstaje między tą galaktyką, a nami. Istoty pozaziemskie z tej galaktyki nie będą mogły się z nami komunikować, ani wysyłać żadnych sygnałów, które mogłyby do nas dotrzeć, gdy ich galaktyka będzie się poruszać szybciej niż światło względem nas.

Wieczny Wszechświat

Co ma wspólnego teoria Wielkiego Wybuchu z serialem „Bing Bang Theory”? Element konkurencji i współzawodnictwa. Koncepcja Wielkiego Wybuchu wydaje się dzisiaj praktycznie obowiązująca w świecie nauki. Jednak na przestrzeni dziesięcioleci musiała ona stawić czoła kilku poważnym wyzwaniom. Jak wyglądały te alternatywne  teorie? Jedna z nich to koncepcja wiecznego Wszechświata.

Przed powstaniem teorii Wielkiego Wybuchu naukowcy byli zgodni co do tego, że Wszechświat jest po prostu... taki, jaki był. Badacze zakładali, że w odległej przeszłości mogło mieć miejsce jakieś wydarzenie związane ze stworzeniem, jeśli ktoś ma przekonania religijne, ale to stworzenie dotyczyło Wszechświata, który wyglądał i działał prawie tak samo jak obecnie.

Oczywiście, od czasu do czasu gwiazdy wybuchały i pojawiały się przypadkowe komety, ale ogólnie rzecz biorąc, Wszechświat po prostu istniał. Był jednym wielkim kosmicznym gobelinem, który - przynajmniej w dużej skali - pozostał niezmieniony na wieczność.

Ta teoria poszła w rozsypkę, gdy wspomniany Edwin Hubble odkrył rozszerzanie się Wszechświata. Odkrycie to natychmiast przekreśliło ideę wiecznego kosmosu, ponieważ w procesie rozszerzania się Wszechświat był oczywiście inny w przeszłości niż obecnie, a przyszłość będzie jeszcze bardziej odmienna.

Stan stabilny

Nawet po uświadomieniu sobie, że Wszechświat się rozszerza, wielu astronomów nadal nie zgadzało się z koncepcją Wielkiego Wybuchu. Jej największym konkurentem na początku XX wieku była teoria zwana modelem stanu ustalonego, zaproponowana po raz pierwszy przez Freda Hoyle'a.

W modelu stanu ustalonego Wszechświat zawsze się rozszerza, ale w jego miejsce w pustce wciąż pojawia się nowa materia. Zatem, zgodnie z tą teorią kosmos się powiększa, ale gęstość pozostaje taka sama, co ratuje ogólne założenia idei wiecznego Wszechświata. Innymi słowy, w modelu stanu ustalonego kosmos jest dynamiczny, ale w długich przedziałach czasu wciąż niezmienny.

Stan ustalony został obalony przez dwie ważne obserwacje: kwazary i kosmiczne mikrofalowe tło (CMB). W obrazie Wielkiego Wybuchu te zjawiska są łatwe do wyjaśnienia: światło pochodzi z wcześniejszej epoki w historii kosmosu, kiedy wszystko było inaczej. Jednak w modelu stanu ustalonego wczesny Wszechświat powinien wyglądać tak samo jak współczesny.

„Elektryczny” Wszechświat

Gdy koncepcja stanu ustalonego upadła, pojawił się kolejny pretendent do zakwestionowania Wielkiego Wybuchu, a to za sprawą fizyka Hannesa Alfvéna, laureata Nagrody Nobla. Alfvén był mistrzem w rozumieniu sił występujących w gazach naładowanych elektrycznie, zwanych plazmami, i stworzył całą gałąź fizyki zwaną magnetohydrodynamiką.

Alfvén twierdził, że ponieważ siły elektromagnetyczne są znacznie silniejsze od sił grawitacyjnych, to to, co obserwujemy w kosmosie, należy lepiej rozumieć jako konsekwencje elektromagnetyzmu, a nie grawitacji. Dotyczyło to ewolucji Układu Słonecznego, narodzin gwiazd i rozszerzania się Wszechświata.

Badacz przekonywał, że Wszechświat składa się z dużych pęcherzyków materii i antymaterii, które nieustannie ze sobą konkurują. Te pęcherzyki rozszerzają się względem siebie, co postrzegamy jako rozszerzanie się Wszechświata, a tam, gdzie się stykają, powstaje światło CMB.

Niestety dla Alfvéna, nie ma sposobu, aby elektryczny Wszechświat odpowiadał obserwacjom - przede wszystkim prawu Hubble'a. W przypadku pobliskich galaktyk prędkość ich recesji jest proporcjonalna do odległości - jest to coś, co tłumaczy ogólna względność i rozszerzanie się przestrzeni. W wersji Alfvéna wszystkie galaktyki cofają się w jednakowym tempie.

Koncepcja Mixmaster

Teoria Wielkiego Wybuchu nie jest doskonała. Zdaniem naukowców jedną z zastanawiających cech Wszechświata jest obserwacja, jak gładki jest on w dużych skalach. Obszary kosmosu znacznie oddalone od siebie mają mniej więcej taką samą temperaturę. We wczesnym Wszechświecie po prostu nie było wystarczająco dużo czasu, aby wszystkie te nierówności się zniwelowały.

W 1969 r. fizyk Charles Misner opracował rozwiązanie tego problemu, zwane kosmologią miksera (tak, nazwa pochodzi od marki blenderów kuchennych). We Wszechświecie typu „mixmaster” wczesny kosmos był niewiarygodnie chaotyczny, z przestrzenią nieustannie poruszającą się tam i z powrotem. To chaotyczne działanie miało dwa cele: mieszało materię w małych skalach (dając w końcu początek strukturom takim jak galaktyki), i wyrównywało ją w dużych skalach (czyniąc Wszechświat jednorodnym).

Pomimo kuszącej nazwy, matematyka nigdy nie sprawdziła się w modelach mixmasterów, a inny opis Wczesnego wszechświata, zwany inflacją, był w stanie wyjaśnić problem w znacznie prostszy sposób.

Cykliczne wszechświaty

Jednym z największych problemów pojęciowych związanych z Wielkim Wybuchem jest to, że ma on początek. Zatem był czas, gdy nie było Wszechświata, a potem czas, gdy już był. Ponieważ model Wielkiego Wybuchu nie próbuje wyjaśnić prawdziwego początku kosmosu, przez lata podejmowano wiele prób wymyślenia scenariusza, który wywodziłby Wielki Wybuch z jakiegoś procesu fizycznego.

Prawie wszystkie próby zastąpienia Wielkiego Wybuchu kończą się stworzeniem jakiegoś cyklicznego Wszechświata, w którym Bing Bang jest tylko jednym z nieskończenie długiego ciągu Wszechświatów.

Istnieje wiele modeli cyklicznych, a wszystkie opierają się raczej na spekulatywnej fizyce. Być może wielowymiarowe „rozgałęzienia” wciąż się zderzają, wywołując nowe Wielkie Wybuchy. A może inflacja po prostu się nie kończy i zawsze tuż za rogiem jest nowy Wszechświat. A może kosmos w końcu się zapadnie, osiągnie jakiś niewiarygodnie mały rozmiar kwantowy, i odbije się z powrotem.

Wszystkie te modele mają jednak problem z wyjaśnieniem ciemnej energii - ekspansji naszego Wszechświata, która przyspiesza i nie wykazuje oznak spowolnienia. Tak więc, na ile można to stwierdzić obecnie, kosmos jest tworem jednorazowym.

Czytaj także: Czarne dziury pożerają tysiące gwiazd. Najgorsze są „maluchy”