stworzenie wszechświata, jaki znamy dzisiaj, zajęło trochę więcej niż siedem dni. SPACE.com spojrzenia na tajemnice niebios w naszej ośmioczęściowej serii: Historia& przyszłość kosmosu . To jest 5 część tej serii.

nasz wszechświat narodził się około 13,7 miliarda lat temu w ogromnej ekspansji, która wysadziła Przestrzeń Kosmiczną jak gigantyczny balon.

to w skrócie Teoria Wielkiego Wybuchu, którą popierają praktycznie wszyscy kosmolodzy i fizycy teoretyczni. Dowody na poparcie tego pomysłu są obszerne i przekonujące. Wiemy na przykład, że wszechświat wciąż się rozszerza, nawet teraz, w coraz szybszym tempie.

naukowcy odkryli również przewidywany ślad termiczny Wielkiego Wybuchu, przenikającego wszechświat kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła. Nie widzimy obiektów starszych niż 13,7 miliarda lat, co sugeruje, że nasz wszechświat powstał mniej więcej w tym czasie.

„wszystkie te rzeczy postawiły Wielki Wybuch na niezwykle solidnych fundamentach”, powiedział astrofizyk Alex Filippenko z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley. „Wielki Wybuch jest niezwykle udaną teorią.”

czego naucza nas ta teoria? Co naprawdę wydarzyło się podczas narodzin naszego wszechświata i jak przybrał on kształt, który obserwujemy dzisiaj?

początek

tradycyjna Teoria Wielkiego Wybuchu zakłada, że nasz wszechświat rozpoczął się od osobliwości — punktu o nieskończonej gęstości i temperaturze, którego natura jest trudna do uchwycenia dla naszego umysłu. Naukowcy twierdzą jednak, że może to nie odzwierciedlać rzeczywistości, ponieważ idea osobliwości opiera się na ogólnej teorii względności Einsteina.

„problem polega na tym, że nie ma żadnego powodu, aby wierzyć ogólnej teorii względności w ten reżim”, powiedział Sean Carroll, fizyk teoretyczny z Caltech. „Będzie źle, bo nie bierze pod uwagę mechaniki kwantowej. Mechanika kwantowa z pewnością będzie ważna, gdy dotrzemy do tego miejsca w historii wszechświata.”

więc sam początek wszechświata pozostaje dość Mroczny. Naukowcy uważają, że mogą podnieść historię w około 10 do minus 36 sekund – jedna trylionowa trylionowej trylionowej sekundy-po Wielkim Wybuchu.

w tym momencie, jak wierzą, wszechświat przeszedł niezwykle krótki i dramatyczny okres inflacji, rozszerzając się szybciej niż prędkość światła. Podwoiła swój rozmiar może 100 razy lub więcej, wszystko w ciągu kilku małych ułamków sekundy.

(inflacja może wydawać się naruszać teorię szczególnej teorii względności, ale tak nie jest-twierdzą naukowcy. Szczególna teoria względności głosi, że żadna informacja ani materia nie mogą być przenoszone między dwoma punktami w przestrzeni szybciej niż prędkość światła. Ale inflacja była ekspansją samej przestrzeni.

„inflacja była” bangiem „Wielkiego Wybuchu” – powiedział Filippenko SPACE.com ” przed inflacją było tylko trochę rzeczy, całkiem możliwe, rozszerzających się tylko trochę. Potrzebowaliśmy czegoś takiego jak inflacja, by uczynić wszechświat wielkim.”

ten szybko rozszerzający się wszechświat był prawie pusty od materii, ale zawierał ogromne ilości ciemnej energii, zgodnie z teorią. Ciemna energia jest tajemniczą siłą, która według naukowców napędza przyspieszającą ekspansję wszechświata.

podczas inflacji ciemna energia sprawiała, że wszechświat wygładzał się i przyspieszał. Ale nie zostało to długo.

„To była tylko chwilowa ciemna energia” SPACE.com ” przekształcił się w zwykłą materię i promieniowanie poprzez proces zwany przegrzaniem. Wszechświat stał się zimny podczas inflacji, a znów gorący, gdy cała ciemna energia zniknęła.”

naukowcy nie wiedzą, co mogło wywołać inflację. To pozostaje jednym z kluczowych pytań w kosmologii Wielkiego Wybuchu, powiedział Filippenko.

inny pomysł

Większość kosmologów uważa inflację za wiodącą teorię wyjaśniającą cechy wszechświata — w szczególności, dlaczego jest on stosunkowo płaski i jednorodny, z mniej więcej taką samą ilością rzeczy rozłożoną równo we wszystkich kierunkach.

różne linie dowodów wskazują, że inflacja jest rzeczywistością, powiedział fizyk teoretyczny Andy Albrecht z University of California, Davis.

„wszyscy ładnie się trzymają z obrazem inflacyjnym” – powiedział Albrecht, jeden z architektów teorii inflacji. „Inflacja spisała się niesamowicie dobrze.”

jednak inflacja nie jest jedyną ideą, która próbuje wyjaśnić strukturę wszechświata. Teoretycy wymyślili inny model, zwany modelem cyklicznym, który opiera się na wcześniejszej koncepcji zwanej wszechświatem ekpyrotycznym.

ta idea głosi, że nasz wszechświat nie wyłonił się z jednego punktu, ani niczego podobnego. Raczej „odbił się” na ekspansji — w znacznie spokojniejszym tempie niż przewiduje teoria inflacji — z wcześniej istniejącego wszechświata, który się kurczył. JeĹ „li teoria ta jest poprawna, nasz wszechĺ” wiat prawdopodobnie ulegaĺ ’ niekończä … cej siÄ ™ serii „grzmotăłw” i „chrupkăłw”.”

” początek naszego wszechświata byłby miły i skończony”, powiedział Burt Ovrut z University of Pennsylvania, jeden z twórców teorii ekpyrotycznej.

model cykliczny zakłada, że nasz wszechświat składa się z 11 wymiarów, z których tylko cztery możemy zaobserwować (trzy z przestrzeni i jeden z czasu). Nasza czterowymiarowa część wszechświata nazywana jest brane (skrót od membrany).

w 11-wymiarowej przestrzeni mogą czaić się inne brany. Zderzenie dwóch branów mogło wstrząsnąć wszechświatem od kurczenia się do ekspansji, wywołując wielki wybuch, który widzimy dzisiaj.

poszukując fal grawitacyjnych

już wkrótce naukowcy mogą być pewni, która teoria — inflacja czy model cykliczny — jest lepszym odzwierciedleniem rzeczywistości.

na przykład inflacja prawdopodobnie wytworzyłaby znacznie silniejsze fale grawitacyjne niż ekpirotyczne „odbicie” – powiedział Filippenko. Badacze szukają więc jakichkolwiek oznak tych teoretycznych zniekształceń czasoprzestrzeni, które nie zostały jeszcze zaobserwowane.

Satelita Europejskiej Agencji Kosmicznej Planck, wystrzelony w 2009 roku, może znaleźć nieuchwytne fale grawitacyjne. Może również zebrać inne dowody, które mogą przechylić szalę tak czy inaczej, powiedział Ovrut.

„są to rzeczy, które w ciągu najbliższych 10 lat zostaną omówione i miejmy nadzieję postanowione” – powiedział Ovrut SPACE.com.

wszechświat, który znamy, nabiera kształtu

Kosmolodzy podejrzewają, że cztery siły, które rządzą wszechświatem — grawitacja, elektromagnetyzm oraz słabe i silne siły jądrowe — zostały zjednoczone w jedną siłę w momencie narodzin wszechświata, zmiażdżone razem z powodu ekstremalnych temperatur i gęstości.

ale wszystko się zmieniło, gdy wszechświat się rozszerzał i ochładzał. W czasie inflacji silna siła prawdopodobnie się oddzieliła. I około 10 bilionów sekundy po Wielkim Wybuchu, siły elektromagnetyczne i słabe również stały się wyraźne.

tuż po inflacji wszechświat był prawdopodobnie wypełniony gorącą, gęstą plazmą. Ale o około 1 mikrosekundę (10 do minus 6 sekund) ostygł wystarczająco, aby umożliwić powstanie pierwszych protonów i neutronów, sądzą naukowcy.

w pierwszych trzech minutach po Wielkim Wybuchu protony i neutrony zaczęły się ze sobą łączyć, tworząc Deuter (znany również jako ciężki Wodór). Atomy deuteru połączyły się ze sobą tworząc Hel-4.

rekombinacja: wszechświat staje się przezroczysty

wszystkie nowo utworzone Atomy były naładowane dodatnio, ponieważ wszechświat był nadal zbyt gorący, aby sprzyjać wychwytywaniu elektronów.

ale to zmieniło się około 380 000 lat po Wielkim Wybuchu. W epoce znanej jako rekombinacja, jony wodoru i helu zaczęły wychwytywać elektrony, tworząc elektrycznie obojętne Atomy. Światło rozprasza znacznie wolne elektrony i protony, ale znacznie mniej od neutralnych atomów. Fotony mogły teraz swobodnie podróżować po wszechświecie.

rekombinacja diametralnie zmieniła wygląd wszechświata; była to nieprzezroczysta mgła, a teraz stała się przezroczysta. Kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła, które dziś obserwujemy, pochodzi z tej epoki.

ale wszechświat był dość ciemny przez długi czas po rekombinacji, dopiero kiedy pierwsze gwiazdy zaczęły świecić około 300 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Pomogły cofnąć wiele z tego, co osiągnęło rekombinacja. Te wczesne gwiazdy — i być może inne tajemnicze źródła-wyrzuciły wystarczająco dużo promieniowania, aby podzielić większość wodoru we wszechświecie z powrotem na protony i elektrony.

proces ten, znany jako reionizacja, wydaje się przebiegać około miliarda lat po Wielkim Wybuchu. Wszechświat nie jest dziś nieprzezroczysty, jak przed rekombinacją, ponieważ tak bardzo się rozszerzył. Materia wszechświata jest bardzo rozrzedzona, a oddziaływania rozpraszania fotonów są więc stosunkowo rzadkie-twierdzą naukowcy.

z czasem gwiazdy grawitowały razem tworząc galaktyki, co prowadziło do coraz większej struktury we wszechświecie. Planety połączyły się wokół nowo formujących się gwiazd, w tym naszego Słońca. 3,8 miliarda lat temu życie zakorzeniło się na Ziemi.

przed Wielkim Wybuchem?

choć wiele o pierwszych chwilach wszechświata pozostaje spekulatywne, pytanie o to, co poprzedziło Wielki Wybuch, jest jeszcze bardziej tajemnicze i trudne do rozwiązania.

na początek samo pytanie może być bezsensowne. Jeśli wszechświat powstał z niczego, jak uważają niektórzy teoretycy, Wielki Wybuch oznacza moment, w którym rozpoczął się sam czas. W takim razie nie byłoby czegoś takiego jak „wcześniej” – powiedział Carroll.

ale niektóre koncepcje narodzin wszechświata mogą zaproponować możliwe odpowiedzi. Na przykład model cykliczny sugeruje, że kurczący się wszechświat poprzedzał nasz rozszerzający się. Carroll również może sobie wyobrazić coś istniejącego przed Wielkim Wybuchem.

„To może być po prostu pusta przestrzeń, która istniała przed naszym Wielkim Wybuchem, a potem jakaś kwantowa fluktuacja dała początek wszechświatowi takiemu jak nasz” – powiedział. „Można sobie wyobrazić małą bańkę przestrzeni uszczypniętą przez fluktuację i wypełnioną tylko maleńką kroplą energii, która może następnie rozwinąć się we wszechświecie, który widzimy poprzez inflację.”

Filippenko również podejrzewa, że coś w tym stylu może być prawdą.

„myślę, że czas w naszym wszechświecie zaczął się od Wielkiego Wybuchu, ale myślę, że byliśmy fluktuacją poprzednika, wszechświata matki” – powiedział Filippenko.

Czy kiedykolwiek się dowiemy?

Kosmolodzy i fizycy ciężko pracują, aby udoskonalić swoje teorie i doprowadzić najwcześniejsze momenty wszechświata do ostrzejszego i ostrzejszego skupienia. Ale czy kiedykolwiek naprawdę dowiedzą się, co wydarzyło się podczas Wielkiego Wybuchu?

to trudne wyzwanie, zwłaszcza, że naukowcy pracują na 13,7 mld lat usunięcia. Ale nie licz nauki, powiedział Carroll. W końcu 100 lat temu ludzie niewiele rozumieli o wszechświecie. Nie wiedzieliśmy na przykład o ogólnej teorii względności czy mechanice kwantowej. Nie wiedzieliśmy, że wszechświat się rozszerza i nie wiedzieliśmy o Wielkim Wybuchu.

„teraz to wszystko wiemy” „Tempo postępu jest rzeczywiście zdumiewająco szybkie, więc nigdy nie poddałbym się pesymizmowi. Nie ma powodu w najnowszej historii kosmologii i fizyki, aby być pesymistycznym co do naszych perspektyw zrozumienia Wielkiego Wybuchu.”

Albrecht wyraził podobny optymizm, mówiąc, że możemy pewnego dnia nawet dowiedzieć się, co, jeśli w ogóle, istniało przed Wielkim Wybuchem.

„liczę na to, że kosmologia odniosła taki sukces „SPACE.com” wydaje się, że natura wysłała nam jasny komunikat, że naprawdę możemy robić naukę z wszechświatem.”

Możesz śledzić SPACE.com starszy pisarz Mike Wall na Twitterze: @michaeldwall. Follow SPACE.com najnowsze wiadomości z dziedziny nauk kosmicznych i eksploracji na Twitterze @ Spacedotcom i na Facebooku.