Didžiojo sprogimo teorija – kas tai? Visatos kilmė ir įrodymai

Sužinokite Didžiojo sprogimo teoriją: Visatos kilmė, pagrindiniai įrodymai, raudonasis poslinkis ir kosmologinės išvados – aiškiai ir suprantamai.

Didysis sprogimas - tai mokslinė teorija apie tai, kaip prasidėjo visata, o vėliau susidarė šiandien matomos žvaigždės ir galaktikos. Didysis sprogimas - taip mokslininkai vadina labiausiai paplitusią visatos teoriją nuo pat pradžių iki šių dienų.

Visata prasidėjo kaip labai karšta, maža ir tanki supererdvė (keturių pagrindinių jėgų mišinys), neturinti žvaigždžių, atomų, formos ar struktūros (vadinama "singuliarumu"). Tada maždaug prieš 13,8 mlrd. metų erdvė labai greitai išsiplėtė (iš čia ir pavadinimas "Didysis sprogimas"). Taip pradėjo formuotis atomai, iš kurių galiausiai susiformavo žvaigždės ir galaktikos. Žoržas Lemateras (Georges Lemaître) 1927 m. pirmasis pastebėjo, kad besiplečiančią visatą galima atsekti iki vieno pradinio taško. Visata tebesiplečia ir šiandien, be to, ji vis šaltėja.

Visuma auga, o temperatūra laikui bėgant mažėja. Kosmologija - tai mokslas apie visatos atsiradimą ir jos raidą. Kosmologiją tyrinėjantys mokslininkai sutarė, kad Didžiojo sprogimo teorija atitinka tai, ką jie iki šiol stebėjo.

Fredas Hoilas savo radijo laidoje šią teoriją pavadino "Didžiuoju sprogimu". Jis netikėjo, kad Didysis sprogimas yra teisingas. Su juo nesutinkantys mokslininkai manė, kad pavadinimas juokingas, ir nusprendė jį vartoti.

Mokslininkai Didžiojo sprogimo teoriją grindžia daugybe įvairių stebėjimų. Svarbiausias iš jų - labai tolimų galaktikų raudonasis poslinkis. Raudonasis poslinkis - tai šviesoje pasireiškiantis Doplerio efektas. Kai objektas tolsta nuo Žemės, jo spalvoti spinduliai atrodo panašesni į raudoną spalvą, nei yra iš tikrųjų, nes dėl judėjimo ilgėja objekto skleidžiamos šviesos bangos ilgis. Šiai ištemptai šviesos bangai apibūdinti mokslininkai vartoja žodį "raudona karšta", nes raudona spalva yra ilgiausia matomo spektro banga. Kuo didesnis raudonasis poslinkis, tuo greičiau objektas tolsta. Matuodami raudonąjį poslinkį mokslininkai įrodė, kad Visata plečiasi, ir gali nustatyti, kaip greitai objektas tolsta nuo Žemės. Atlikę labai tikslius stebėjimus ir matavimus, mokslininkai mano, kad Visata maždaug prieš 13,8 mlrd. metų buvo singuliarumas. Kadangi plečiantis dauguma daiktų tampa šaltesni, mokslininkai daro prielaidą, kad Visata, kai ji prasidėjo, buvo labai maža ir labai karšta.

Kiti stebėjimai, patvirtinantys Didžiojo sprogimo teoriją, yra cheminių elementų kiekis visatoje. Labai lengvų elementų, tokių kaip vandenilis, helis ir litis, kiekis, atrodo, atitinka Didžiojo sprogimo teoriją. Mokslininkai taip pat aptiko "kosminių mikrobangų foninę spinduliuotę". Ši spinduliuotė vadinama radijo bangomis, ir jos yra visur Visatoje. Dabar ši spinduliuotė yra labai silpna ir šalta, tačiau labai seniai ji buvo labai stipri ir labai karšta.

Galima sakyti, kad prieš Didįjį sprogimą laikas neturėjo jokios reikšmės. Jei Didysis sprogimas buvo laiko pradžia, tai prieš Didįjį sprogimą nebuvo jokios visatos, nes, jei nebuvo laiko, negalėjo būti jokio "prieš"! Kitos idėjos teigia, kad Didysis sprogimas prieš 13,8 mlrd. metų nebuvo laiko pradžia. Kai kurie mano, kad prieš Didįjį sprogimą egzistavo visai kita visata, kuri galėjo labai skirtis nuo tos, kurią pažįstame šiandien.

Nepaisant to, 2019 m. lapkritį Jimas Peeblesas, apdovanotas 2019 m. Nobelio fizikos premija už teorinius atradimus fizikinės kosmologijos srityje, apdovanojimo įteikimo metu pažymėjo, kad jis nepalaiko Didžiojo sprogimo teorijos, nes trūksta konkrečių patvirtinančių įrodymų, ir teigė: "Labai gaila, kad galvojama apie pradžią, nors iš tikrųjų neturime jokios geros teorijos apie tokį dalyką kaip pradžia."

Papildomi paaiškinimai ir svarbiausi įrodymai

Žemiau pateikiami svarbiausi stebėjimai ir teoriniai argumentai, dėl kurių Didžiojo sprogimo modelis yra plačiai priimtas ir nuolat tikrinamas:

• Visatos plėtimosi matavimai (raudonasis poslinkis): remiantis stebėjimais, tolimos galaktikos tolsta nuo mūsų — jų spektrinės linijos yra poslinkusios link ilgesnių (raudonesnių) bangų ilgių. Tai pirmiausia įrodė Hubble ir (nepriklausomai) Lemaître idėjos pritaikymas prie duomenų; matavimai leidžia nustatyti plečimosi greitį (Hubble konstantą) ir Visatos amžių.
• Kozminio mikrofonų fonas (CMB): 1965 m. Arno Penzias ir Robertas Wilsonas atrado tolygiai išsisklaidžiusią mikrobanginę spinduliuotę, kuri atitinka silpną, bet labai vienodą likutinę karštį iš ankstyvos karštos Visatos. Vėlesnės misijos — COBE, WMAP ir Planck — matavo smulkias CMB temperatūros anizotropijas, kurios pateikia informacijos apie ankstyvosios Visatos tankio svyravimus ir leido tiksliai nustatyti kosmologinius parametrus.
• Primordialioji branduolių sintezė (BBN): Didysis sprogimas prognozuoja, kokia dalimi turi susiformuoti lengvieji elementai (vandenilis, helis-4, helis-3, deuteris, litis) per pirmąsias minutes po pradžios. Stebima jų gausa gerai atitinka prognozes, nors yra tam tikrų neatitikimų (pvz., vadinamoji litio problema).
• Didelės struktūros ir baryoninės akustinės svyravės (BAO): Visatos medžiagos tankio svyravimai ankstyvoje Visatoje paliko ženklus, kurie matomi didelių mastų galaktikų pasiskirstyme ir kuriuos galima panaudoti kaip „standartinį ilgį“ kosmologiniuose matavimuose.
• Visatos spartėjantis plėtimasis: vėlyvųjų tipo Ia supernovų stebėjimai (1990–tųjų pabaigoje) parodė, kad plėtimasis šiuo metu spartėja — tai paaiškinama pridedant tamsiąją energiją (pvz., kosmologinę konstantą). Ši išvada papildomai suderinama su CMB ir BAO duomenimis.

Trumpa Visatos istorija pagal Didįjį sprogimą

• Plancko epocha (≤10^-43 s) — bet kuri teorija čia turi jungtis prie kvantinės gravitacijos idėjų; klasikinė fizika čia nebeveikia.
• Infliacija (~10^-36 – 10^-32 s) — trumpas labai greitos ekspanzijos periodas, kurį siūlo infliacijos modeliai (Alan Guth, Andrei Linde ir kt.) siekiant paaiškinti Visatos vienodumą, geometrijos plokštumą ir CMB svyravimų kilmę.
• Primordialioji nukleosintezė (sekundės–minučių intervalas) — susidaro pirmieji protonai ir neutronai, o vėliau lengvieji branduoliai.
• Rekombinacija (~380 000 metų) — elektronai ir branduoliai susijungia į atomus; fotonai tampa laisvi ir susidaro CMB, kuris nuo tada sklinda iki mūsų.
• Tamsieji amžiai ir pirmos žvaigždės (~100–500 mln. metų) — formuojasi pirmosios žvaigždės ir galaktikos; vėliau įvyksta reionizacija.
• Struktūrų formavimasis — galaktikos ir galaktikų sankaupos susiformuoja iš pradinių tankio svyravimų, kuriuos CMB atspindi kaip mažas temperatūros nuokrypas.

Neaiškumai, problemos ir alternatyvos

Nors Didžiojo sprogimo modelis puikiai paaiškina daug stebimų reiškinių, yra ir atvirų klausimų bei sričių, kur reikalingi papildomi tyrimai:

• Singuliarumas ir pradžios sąvoka: klasikinė Einšteino gravitacija veda prie singuliarumo, tačiau kvantinės gravitacijos teorijos trūkumas reiškia, kad apie tikrąją „pradžią“ dar neturime patikimos mikroskopinės teorijos.
• Tamsioji medžiaga ir tamsioji energija: šių komponentų pobūdis nežinomas — jie reikalingi suderinti duomenis apie galaktikų judėjimą, CMB ir didelių mastų struktūras.
• Hubble konstantos įtampa: skirtingi matavimo metodai (CMB pagrindu gautos reikšmės vs. vietiniai supernovų / galaktikų spinduliniai matavimai) duoda skirtingas reikšmes H0; tai gali rodyti sistemines paklaidas arba naują fizikos požymį.
• Primordialiojo lito problema: stebimi litio izotopų kiekiai kai kuriais atvejais mažesni nei BBN prognozės.
• Alternatyvūs modeliai: istoriniu požiūriu egzistavo kitos idėjos (pvz., statiška būsena — „steady state“), o taip pat šiuolaikinės ciklinės ar „bounce“ (atmušimo) teorijos. Tačiau dauguma šių alternatyvų turi problemų suderinamume su CMB ir kitais duomenimis.

Kaip mokslo bendruomenė žiūri į teoriją šiandien

Didysis sprogimas yra pagrindinis kosmologijos modelis, nes jis suderinamas su daugeliu nepriklausomų stebėjimų. Tačiau mokslininkai pripažįsta, kad modelis nėra galutinis — trūksta teorijos, kuri paaiškintų labai ankstyvąją fazę (pvz., infliacijos kilmę ar kvantinę gravitaciją) ir patikimai nuspėtų visus pastebėtus reiškinius. Net žymūs kosmologai, tokie kaip Jimas Peeblesas, pabrėžia, kad nors esamas modelis puikiai veikia daugeliu atvejų, vis dar trūksta gilios teorijos apie tikrąją „pradžią“.

Santrauka

Didysis sprogimas paaiškina Visatos plėtimąsi, mikrobanginę foninę spinduliuotę ir pradinių cheminių elementų santykį. Tai modelis, kuriam suteikia stiprų palaikymą įvairūs stebėjimai, tačiau jis taip pat kelia naujus klausimus (singuliarumas, tamsiosios medžiagos ir energijos prigimtis, H0 įtampa). Kosmologija yra aktyvi mokslo sritis — tolesni stebėjimai ir teoriniai tyrimai (įskaitant pastangas sujungti kvantinę fiziką ir gravitaciją) siekia išsamiau atskleisti Visatos kilmės ir ankstyvosios evoliucijos detales.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra Didysis sprogimas?

K: Kokios yra alternatyvos Didžiojo sprogimo teorijai?

K: Kaip, remiantis šia teorija, viskas prasidėjo?

Klausimas: Kas pirmasis pastebėjo, kad besiplečiančią visatą galima atsekti laike?

K: Ar Visata tebesiplečia šiandien?

K: Kas yra kosmologija?

K: Ar mokslininkai kol kas pritaria šiai teorijai?

Paieška pagal raidę