Początek wszystkiego - Wielki Wybuch

Wielki Wybuch – początek wszystkiego

Według starożytnych Greków, na początku był chaos, rozległa pustka, z której zrodziła się bogini Gaja i stworzyła kosmos. Czy rzeczywiście na początku była pustka? W jaki sposób powstał Wszechświat? Jak powstały atomy, planety? Gdzie był początek wszystkiego i jak wyglądał? Jedną z propozycji odpowiedzi na to pytanie daje teoria Wielkiego Wybuchuteoria Wielkiego Wybuchuteoria Wielkiego Wybuchu.

Przeczytaj

Już w starożytności ludzie interesowali się kosmosem, jednak przełom w jego badaniu nastąpił dopiero na początku $\text{XX}$ wieku, kiedy Albert Einstein [albert ainsztajn] ogłosił teorię względności. Astronomowie – Georges Lemaître [żorż lymetr] pochodzący z Belgii i Edwin Hubble [edłyn habyl] z Kalifornii w Stanach Zjednoczonych, pracowali równolegle nad badaniami dotyczącymi ewolucji Wszechświata. Hubble wykonywał obserwacje na jednym z największych ówcześnie teleskopów. Ich badania doprowadziły do wniosku, że Wszechświat ciągle się rozszerza i opisania tego zjawiska za pomocą zależności matematycznej. Zależność ta została nazwana prawem Hubble’a (od $2018$ roku jest to prawo Hubble’a–Lemaître’a).

Amerykański astronom odkrył, że promieniowanie elektromagnetyczne docierające z odległych galaktyk jest przesunięte w stronę światła czerwonego, czyli posiada mniejsze częstotliwości – zjawisko to nazywane jest redshiftredshiftredshift [redszyft]. Odnosząc to do zjawiska Doppleraefekt Dopplerazjawiska Dopplera [dople], stwierdził, że galaktyki oddalają się od siebie. Opracowanie Lemaître’a było tylko teoretyczne, ale całkowicie zgodne z obserwacjami Hubble’a. Prawo Hubble’a–Lemaître’a stwierdza, że galaktyki oddalają się od siebie z prędkością proporcjonalną do odległości między nimi:

gdzie:
$H_0$ – stała Hubble’a ($H_{0}\approx70\,\mathrm{\large\frac{km}{s\cdot Mpc}}$),
$r$ – odległość.

Z prawa Hubble’a–Lemaître’a można oszacować wiek Wszechświata oraz jego wielkość.

Zastosowania prawa Hubble’a–Lemaître’a zaprezentowane są w przykładach poniżej.

W drugiej połowie $\text{XX}$ wieku astronomowie Robert Woodrow Wilson [robert łudroł łylson], Arno Penzias [ano pencias] i Robert Dicke [robert dyk] odkryli kosmiczne promieniowanie mikrofalowe tła, co potwierdziło, że Wszechświat powstał w wyniku Wielkiego Wybuchu i ciągle się rozszerza; promieniowanie to jest pozostałością po Wielkim Wybuchu i wykrywalne jest w całym Wszechświecie. Naukowcy za swoje odkrycie otrzymali w $1978$ roku Nagrodę Nobla.

Z prawa Hubble’a–Lemaître’a wyliczyć można, że około $14$ miliardów lat temu cała materia Wszechświata była gęsto upakowana i dopiero od tego czasu Wszechświat zaczął się rozszerzać, a odległości między cząstkami zaczęły się zwiększać.

RFZeQ9GucAwjl

Czarno‑białe zdjęcie. Dwóch mężczyzn w marynarkach i krawatach patrzy w obiektyw. Za nimi znajduje się aparatura, dzięki której odkryli promieniowanie mikrofalowe. Ma kształt wielkiej tuby.

Nie wiemy, co działo się przed Wielkim Wybuchem, ale założenia teoretyczne pozwalają stwierdzić, że około ${10}^{-43}$ sekundy Wszechświat był niewyobrażalnie gorącymi cząstkami związanymi ze sobą energią. Oznacza to, że wszystko znajdowało się wtedy skupione obok siebie. Twór ten zwany jest osobliwością – posiadał on bardzo dużą gęstość i temperaturę setek kwintylionów kelwinów (rzędu ${10}^{32} \mathrm{K}$). Wszechświat w bardzo krótkim czasie rzędu ${10}^{-35}$ sekundy powiększył się, co jest nazywane inflacją kosmologiczną, by następnie rozszerzać się coraz bardziej i bardziej, ochładzając się przy tym. Wbrew nazwie nie był to jednak wybuch materii, a nagłe rozszerzanie się przestrzeni, w której ta materia się znajdowała.

W czasie rozszerzania się Wszechświata, poza temperaturą malała też gęstość i energia. W ciągu części sekundy zaczęły tworzyć się protony i neutrony w tak zwanej erze nukleonowej. Po niej nastąpiła era nukleosyntezy, w której następowały fuzje termojądrowe, by następnie przejść w erę jonową. Dopiero ponad $300$ tysięcy lat później zaczęła się era atomowa, która trwała prawie $300$ milionów lat, wtedy zaczynają powstawać pierwsze gwiazdy. Temperatura spadła wtedy do około $3000 \mathrm{K}$, a Wszechświat stał się przezroczysty dla światła widzialnego i promieniowania. Po niej nastąpiła era gwiazd i galaktyk, która trwa do dzisiaj. W jej trakcie, około $300$ milionów lat po Wielkim Wybuchu, dominującą rolę przejęło oddziaływanie grawitacyjne, które zatrzymało związane skupiska materii. W czasie rozwoju Wszechświata poza oddziaływaniem grawitacyjnym powstały elektromagnetyzm i oddziaływania jądrowe. W czasie kosmicznej inflacji siły te były częścią jednego ogólnego oddziaływania. Po Wielkim Wybuchu siły te rozdzieliły się na aktualnie znane oddziaływania.

Co do przyszłości Wszechświata badania naukowców cały czas trwają. Aktualne obserwacje coraz szybszego rozszerzania się Wszechświata skutkują wnioskiem, że jego część przechodzi poza tzw. horyzont zdarzeń, czyli będzie poza naszym zasięgiem. Ostateczny wynik rozrastania się Wszechświata nie jest jednak znany i pozostaje przedmiotem badań.

Wielki Wybuch i ekspansja Wszechświata

R1RZuyp0ByzKs

Film nawiązujący do Wielkiego Wybuchu i ekspansji wszechświata.

Film nawiązujący do Wielkiego Wybuchu i ekspansji wszechświata.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/R1RZuyp0ByzKs

Film nawiązujący do Wielkiego Wybuchu i ekspansji wszechświata.

Sprawdź się

Słownik

Bibliografia

Sagnowska B., Szot‑Gawlik D., Godlewska M., Rozenbajgier M., Rozenbajgier R., 2017, Świat fizyki, Warszawa, WSiP