The Big Bang Theory: Hvordan universet begynte


Big Bang-teorien representerer kosmologeres beste forsøk på å rekonstruere 14 milliarder års historien om universet basert på eksistensen av eksistens som er synlig i dag.

Ulike mennesker bruker begrepet "Big Bang" på forskjellige måter. Mest generelt illustrerer det lysbuen i det observerbare universet som det fortynnet og avkjølt fra en opprinnelig tett, varm tilstand. Denne beskrivelsen koker ned til ideen om at kosmos ekspanderer, et bredt prinsipp som er analogt med overlevelse av de sterkeste i biologi som få ville vurdere å diskutere.

Mer spesifikt kan Big Bang også referere til det observerbare universets fødsel selv – i det øyeblikket noe endret seg, kickstarting hendelsene som førte til i dag. Kosmologer har argumentert i flere tiår om detaljene i den brøkdel av et sekund, og diskusjonen fortsetter i dag. [From Big Bang to Present: Snapshots of Our Universe Through Time]

For det meste av menneskets historie antok himmelens observatører det evig og uforanderlig. Edwin Hubble behandlet denne historien et eksperimentelt slag på 1920-tallet da hans observasjoner viste at både galakser utenfor Melkeveien eksisterte, og at deres lys dukket opp, var et tegn på at de rushet bort fra jorden.

George Lemaître, en moderne belgisk fysiker, tolket data fra Hubble og andre som bevis på et ekspanderende univers, en mulighet tillatt av Einsteins nylig publiserte feltekvasjoner av generell relativitet. Tenk bakover, Lemaître konkluderte med at dagens separerende galakser må ha startet sammen i det han kalte det "urokkelige atom".

Den første offentlige bruken av det moderne begrepet for Lemaître ideen kom faktisk fra en kritiker – engelsk astronom Fred Hoyle. Den 28. mars 1949 utpekte Hoyle uttrykket under forsvaret av sin foretrukne teori om et evig univers som skapte materie for å kansellere utvannelsen av ekspansjonen. Hoyle sa tanken om at "alt materie om universet ble opprettet i et stort slag på en bestemt tid i fjerntiden," var irrasjonell. I senere intervjuer nektet Hoyle med vilje å oppfinne et forferdelig navn, men monikeren stakk, mye til frustrasjon av noen.

"The Big Bang er et veldig dårlig uttrykk," sa Paul Steinhardt, en kosmolog ved Princeton. "The Big Stretch ville fange den riktige ideen." Det mentale bildet av en eksplosjon forårsaker all slags forvirring, ifølge Steinhardt. Det innebærer et sentralt punkt, en ekspanderende grense, og en scene hvor lysskrapnel flyr raskere enn tyngre biter. Men et ekspanderende univers ser ingenting ut som det, sa han. Det er ikke noe senter, ingen kant og galakser store og små, alle glir fra hverandre på samme måte (selv om mer fjerne galakser beveger seg raskere under den kosmologisk nylige innflytelsen av mørk energi).

Uansett navn, fant Big Bang teorien bred aksept for sin enestående evne til å forklare det vi ser. Lysbalansen med partikler som protoner og nøytroner i løpet av de første 3 minuttene, for eksempel, lar tidlige elementer danne seg en hastighet som forutsier dagens mengder helium og andre lysatomer.

"Det var et lite vindu i tide hvor det var mulig for kjerner å danne," sa Glennys Farrar, en kosmolog ved New York University. "Etter det fortsatte universet å vokse og de kunne ikke finne hverandre, og før [the window] det var for varmt. "

Et skyet plasma fylte universet for de neste 378.000 årene, til ytterligere kjøling la elektroner og protoner danne nøytrale hydrogenatomer, og tåken ryddet. Lyset som sendes ut under denne prosessen, som siden har strukket seg inn i mikrobølger, er det tidligste kjente objektet forskere kan studere direkte. Kjent som kosmisk mikrobølgeovn (CMB) -stråling, betrakter mange forskere det sterkeste bevis for Big Bang.

Men som kosmologer presset lenger tilbake inn i universets første øyeblikk, ble historien unraveled. Generelle relativitetens ligninger foreslo en første farge av ubegrenset varme og tetthet – en singularitet. I tillegg til å ikke gi mye fysisk fornuft, stemte en enestående opprinnelse ikke overens med den glatte, flate CMB. Fluktuasjoner i speckens formidable temperatur og tetthet ville ha produsert skyte av himmel med forskjellige egenskaper, men CMB temperatur varierer med bare en brøkdel av en grad. Krumtidens krumning ser også ganske flatt ut, noe som innebærer en i utgangspunktet nær perfekt balanse mellom materie og krumning som de fleste kosmologer finner usannsynlig.

Alan Guth foreslo et nytt bilde av den første brøkdel av et sekund på 1980-tallet, noe som tyder på at universet brukte sine tidligste øyeblikk vokser eksponentielt raskere enn det gjør i dag. På et tidspunkt stoppet denne prosessen, og bremsene ga et tett og varmt (men ikke uendelig så) rot av partikler som tar plass til singulariteten. "I mitt eget sinn tenker jeg på det som storebaren, da universet ble varmt," sa Farrar.

Inflationsteorien, som den heter, har nå en mengde konkurrerende modeller. Selv om ingen visste mye om hva som gjorde universet utvide så raskt, har teorien blitt populær for sin evne til å forklare den tilsynelatende usannsynlige, featurløse CMB: Inflasjon bevarte små svingninger (som utviklet seg til dagens galakse-klynger), mens de flattede de store. "Det er en veldig søt historie," sa Steinhardt, som bidro til å utvikle teorien. "Det er det vi forteller barna våre."

Nylig forskning har introdusert to rynker i inflasjonsteoriens kosmiske fortelling. Steinhardts og andre arbeid tyder på at inflasjonen ville ha stoppet i noen regioner (som vårt observerbare univers), men fortsatte i andre, og produserer en rekke separate territorier med "alle tenkelige sett av kosmologiske egenskaper", som Steinhardt setter det. Mange fysikere finner dette "multiverse" -bildet forsmakende, fordi det gjør et uendelig antall untestable prediksjoner.

På forsøksfronten forventer kosmologer at inflasjonen burde ha produsert galakse-spenner over gravitasjonsbølger i CMB, akkurat som det ga små temperatur- og tetthetsvariasjoner. Nåværende eksperimenter bør være følsomme nok til å finne dem, men de primordiale romtidskrypene har ikke vist seg (til tross for en falsk alarm i 2014).

Mange forskere venter på mer presise CMB-målinger som kan drepe eller validere de mange inflasjonsmodellene som fremdeles står. Andre fysikere ser imidlertid ikke kosmosens glathed som et problem i det hele tatt – det startet av uniform og trenger ingen forklaring.

Mens eksperimentalister streber etter nye nivåer av presisjon, har noen teoretikere vendt seg fra inflasjonen for å søke andre måter å squash universet flatt. Steinhardt jobber for eksempel på en "big bounce" -modell, noe som trykker startklokken enda lenger, til en tidligere sammentrekning som utglattet romtiden og satte scenen for en eksplosiv ekspansjon. Han håper at for lenge siden vil nye signaturer, i tillegg til problemer som mangel på primordiale gravitasjonsbølger, sette kosmologer opp med en ny skapelseshistorie å fortelle. "Er det noen andre observerbare funksjoner å lete etter?" Steinhardt sa: «Spør meg om noen få år, og jeg håper å få svar.»

Ytterligere ressurser: