Разбиране на теорията за големия взрив

Теорията за големия взрив е доминиращата теория за произхода на Вселената. По същество тази теория гласи, че Вселената е започнала от начална точка или сингулярност, която се е разширила в продължение на милиарди години, за да образува Вселената, каквато я познаваме сега.

През 1922 г. руски космолог и математик на име Александър Фридман открива, че решенията на Алберт Айнщайн'с обща относителност полеви уравнения доведоха до разширяване на Вселената. Като вярващ в статична, вечна вселена, Айнщайн добави космологична константа към своите уравнения, „коригирайки“ тази „грешка“ и по този начин премахвайки разширяването. По-късно той би нарекъл това най-голямата грешка в живота си.

Всъщност вече имаше наблюдения с доказателства в подкрепа на разширяващата се вселена. През 1912 г. американският астроном Весто Слипър наблюдава спирална галактика - считана за "спирална мъглявина" по това време, тъй като астрономите все още не знаеха, че има галактики отвъд

През 1924 г. астроном Едвин Хъбъл успя да измери разстоянието до тези „мъглявини“ и откри, че те са толкова далеч, че всъщност не са част от Млечния път. Беше открил, че Млечният път е само една от многото галактики и че тези „мъглявини“ всъщност са сами галактики.

През 1927 г. римокатолическият свещеник и физик Жорж Лемайтре независимо изчислява решението на Фридман и отново предполага, че Вселената трябва да се разширява. Тази теория е подкрепена от Хъбъл, когато през 1929 г. той открива, че има връзка между разстоянието на галактиките и количеството на червено отместване в светлината на тази галактика. Далечните галактики се отдалечават по-бързо, което беше точно това, което беше предсказано от решенията на Лемайтер.

През 1931 г. Лемайтер отиде по-далеч с предсказанията си, екстраполирайки назад във времето, открива, че материята на Вселената ще достигне безкрайна плътност и температура в ограничено време в миналото. Това означаваше, че Вселената трябва да е започнала в невероятно малка, плътна точка на материята, наречена „първичен атом“.

Фактът, че Лемайтер е римокатолически свещеник, засяга някои, тъй като той излага теория, която представя определен момент на „създаване“ на Вселената. През 1920-те и 1930-те повечето физици - като Айнщайн - са склонни да вярват, че Вселената е съществувала винаги. По същество теорията за големия взрив беше смятана за твърде религиозна от много хора.

Докато за известно време бяха представени няколко теории, това наистина беше само на Фред Хойл стационарна теория които осигуряват каквато и да било реална конкуренция за теорията на Лемайтер. По ирония на съдбата Хойл е измислил фразата "Голям взрив" по време на радиопредаване през 50-те години на миналия век, възнамерявайки я като подигравателен термин за теорията на Лемайтре.

Теорията за устойчивото състояние предсказва това ново въпрос е създаден така, че плътността и температурата на Вселената остават постоянни във времето, дори докато Вселената се разширява. Хойл прогнозира също, че по-плътни елементи се образуват от водород и хелий чрез процеса на звездна нуклеосинтеза, което за разлика от стационарната теория се оказа точно.

Джордж Гамов - един от учениците на Фридман - беше основният защитник на теорията за големия взрив. Заедно с колегите си Ралф Алфер и Робърт Херман той прогнозира космическия микровълнов фон (CMB) радиация, която е радиация, която трябва да съществува в цялата Вселена като остатък от Големия Bang. Тъй като атомите започнаха да се образуват по време на рекомбинация ера, те позволиха на микровълновото излъчване (форма на светлина) да пътува през Вселената и Гъмов предсказа, че това микровълнова радиация и днес ще бъде наблюдаван.

Дебатът продължава до 1965 г., когато Арно Пензиас и Робърт Удроу Уилсън се натъкват на CMB, докато работят за Bell Telephone Laboratories. Техният радиометър Dicke, използван за радиоастрономия и спътникова комуникация, вдигна температура 3,5 K (близко съответствие с прогнозата на Алфер и Херман от 5 K).

През края на 60-те и началото на 70-те години някои привърженици на стационарната физика се опитват да обяснят тази констатация, докато все още отричайки теорията за големия взрив, но до края на десетилетието беше ясно, че радиацията на CMB няма друга правдоподобна обяснение. Пензиас и Уилсън получиха Нобеловата награда по физика за 1978 г. за това откритие.

Определени притеснения обаче останаха по отношение на теорията за големия взрив. Един от тях беше проблемът с хомогенността. Учените попитаха: Защо Вселената изглежда идентична, по отношение на енергията, независимо в коя посока човек гледа? Теорията за големия взрив не дава време на ранната Вселена да достигне топлинно равновесие, така че трябва да има разлики в енергията в цялата Вселена.

През 1980 г. официално предложи американският физик Алън Гут инфлационна теория за разрешаване на този и други проблеми. Тази теория казва, че в ранните моменти след Големия взрив е имало изключително бързо разрастване на зараждащата се вселена, задвижвана от "вакуумна енергия с отрицателно налягане" (която може да са свързани по някакъв начин с текущите теории на тъмна енергия). Алтернативно, инфлационните теории, сходни в концепцията, но с малко по-различни детайли, са били изложени от други през годините.

Програмата на Уилкинсън Микровълнова анизотропия (WMAP) от НАСА, която започна през 2001 г., представи доказателства, които силно подкрепят инфлационния период в ранната Вселена. Това доказателство е особено силно за тригодишните данни, публикувани през 2006 г., въпреки че все още има някои малки несъответствия с теорията. Нобеловата награда за физика за 2006 г. беше присъдена на Джон С. Матер и Джордж Смоут, двама ключови работници по проекта WMAP.

Докато теорията за Големия взрив се приема от огромното мнозинство физици, все още има някои дребни въпроси, свързани с нея. Най-важното обаче са въпросите, на които теорията дори не може да се опита да отговори:

• Какво съществуваше преди Големия взрив?
• Какво предизвика Големия взрив?
• Нашата Вселена е единствената?

Отговорите на тези въпроси може да съществуват извън сферата на физиката, но въпреки това те са очарователни и отговорите като мултивселена хипотезата предоставя интригуваща област на спекулации както за учени, така и за неучени.

Когато Lemaitre първоначално предложи наблюдението си за ранната Вселена, той нарече това ранно състояние на Вселената първичен атом. Години по-късно Джордж Гамов ще приложи името ylem за него. Наричан е още първичният атом или дори космическото яйце.