Kim jesteśmy? Skąd pochodzimy? Jaki jest nasz cel? Są to pytania, które od czasów starożytnych inspirowały, a często dręczyły filozofów, teologów i uczonych, poszukujących odpowiedzi, których być może nigdy nie poznamy. Nauka próbuje więc wyjaśnić życie i otaczającą nas rzeczywistość poprzez "podróż" w czasie do początków wszechświata, do pierwotnego momentu, od którego wszystko się zaczęło. Według astrofizyków na całym świecie powstanie to zostało wywołane przez gigantyczną eksplozję: Wielki Wybuch.
Według teorii naukowca Georges'a Lemaître'a, popartej później i rozwiniętej przez George'a Gamowa, podczas swoich narodzin wszechświat rozszerzał się z punktu o nieskończonej gęstości aż do momentu, w którym sam się wygenerował. W konsekwencji, kosmologiczny model Wielkiego Wybuchu opiera się na idei, że wszechświat zaczął się rozszerzać z bardzo dużą prędkością w skończonym czasie w przeszłości z warunków o ekstremalnej krzywiźnie, temperaturze i gęstości, generując czasoprzestrzeń. Mało tego, uważa się, że proces ten trwa do dziś.
Czym jest Wszechświat
Zanim wystrzelimy się w głęboką przestrzeń kosmiczną i zabierzemy się za wyjaśnianie w jakiś sposób pochodzenia wszechświata, wypada zdefiniować, co dokładnie oznacza termin Wszechświat, oczywiście w sensie naukowym. Zgodnie z literaturą, wszechświat jest powszechnie definiowany jako kompleks obejmujący całą przestrzeń kosmiczną i to, co w niej się znajduje, czyli materię i energię, planety, gwiazdy, galaktyki i zawartość przestrzeni międzygalaktycznej.
Obserwowalna jego część, przynajmniej obecnie i przy dostępnej nam technologii, ma średnicę około 93 miliardów lat świetlnych, co sugeruje ekspertom, że przez większość swojej historii i w całym obserwowalnym zakresie rządzi się tymi samymi prawami fizycznymi i stałymi. Mało tego, jego "struktura" absolutnie pozwala na wnioskowanie we wczesnych częściach, co czyni szczególnie trudnym dokładne odtworzenie jego historii.
W każdym razie, jak wiadomo, teoria Wielkiego Wybuchu jest najszerzej akceptowanym modelem kosmologicznym opisującym narodziny Wszechświata. Zgodnie z obliczeniami, opartymi oczywiście na naszych lokalnych ramach czasowych, wydarzenie to miałoby miejsce około 13,8 miliarda lat temu. Teoretycznie, maksymalna obserwowalna odległość zawiera się w obserwowalnym wszechświecie. Badania kilku supernowych pokazały, że Wszechświat wciąż się rozszerza, a wiele modeli zostało stworzonych, aby przewidzieć jego ostateczny los. W 1929 r. Edwin Hubble ogłosił odkrycie ekspansji wszechświata.
Obserwując różne galaktyki, był w stanie odkryć, że większość z nich oddala się od Ziemi, ponieważ ich widma były zorientowane w kierunku czerwieni. Zaobserwował też, że im większa była ich odległość od Ziemi, tym szybciej się oddalały. Sytuacja ta może być wyjaśniona przez pierwszą zasadę kosmologiczną, zgodnie z którą "struktura i własności wszechświata w dużej skali są wszędzie i przez cały czas takie same". Jest to, w skrócie, słynny wzór v = H r, gdzie v to prędkość oddalania się, r - odległość, a H, liczba znana jako stała Hubble'a, wynosi 53 km/s na milion parseków.
Powstanie wszechświata: teoria Wielkiego Wybuchu
Obserwacje Hubble'a skutecznie podważyły dominujący pogląd o wszechświecie jako stacjonarnym. Jeśli wszechświat się rozszerza, jego gęstość musi być zmienna. Od tego czasu teoria ta została odpowiednio zmodyfikowana i stwierdza, że musi następować ciągła kreacja materii w ilości jednego atomu wodoru na centymetr sześcienny co milion miliardów lat. Dopiero później przyjęto, że wszechświat narodził się w wyniku eksplozji ponad 13 miliardów lat temu, a cofający się ruch był konsekwencją tej eksplozji.
Wybuch ten znany jest jako Wielki Wybuch. Fizycy ze swej strony nie są pewni, co poprzedziło wielką kosmiczną eksplozję: niektórzy proponują modele cyklicznego wszechświata, inni opisują początkowy stan bez granic, z którego czasoprzestrzeń wyłoniła się i rozszerzyła w momencie Wielkiego Wybuchu. Inni sugerują nawet, że nasz wszechświat jest tylko jednym z wielu, które mogą istnieć.
Model Wielkiego Wybuchu, termin ukuty przez Freda Hoyle'a w 1949 r. podczas audycji radiowej BBC, używany wówczas z uwłaczającą konotacją, jest powszechnie uznawany za najbliższy model wyjaśniający powstanie wszechświata, dominujący w środowisku naukowym na podstawie dowodów astronomicznych i obserwacji. W szczególności, dobra zgodność kosmicznej obfitości lekkich pierwiastków, takich jak wodór i hel, z wartościami przewidywanymi jako wynik pierwotnego procesu nukleosyntezy, w połączeniu z istnieniem kosmicznego promieniowania tła o widmie zgodnym z widmem ciała doskonale czarnego, przekonały większość naukowców, że zdarzenie podobne do Wielkiego Wybuchu miało miejsce ponad 13 miliardów lat temu.
W czasach, gdy ludzkość była tylko projekcją bardzo odległej przyszłości. Przed Wielkim Wybuchem wyobraża się, że wszechświat był skupiony w kuli, o nieskończonej temperaturze i gęstości. W jego wnętrzu musiała znajdować się plazma, szczególny stan materii, w którym jądra i elektrony mogą poruszać się chaotycznie, a który składa się z kwarków i gluonów. Zdecydowanie niestabilna sytuacja spowodowała wybuch, po którym nastąpiły cztery kolejne fazy, określane potocznie jako "ery": era ery kwantowej, era elektrosłabości, era zdominowana przez promieniowanie i era zdominowana przez materię.
Teoria Wielkiego Wybuchu opiera się na dwóch fundamentalnych założeniach, a mianowicie uniwersalności praw fizyki i zasadzie kosmologicznej, która mówi, że w dużej skali wszechświat jest jednorodny i izotropowy. Chociaż rekonstrukcja jest dokładna i wiarygodna w pewnych warunkach, teoria ta ma, jak to często bywa, ograniczenia. Wystarczy rozważyć, że idealnie postępując wstecz w czasie, w procesie odwrotnym do ekspansji, gęstość i temperatura rosną aż do momentu, w którym wokół tych wartości dążą do nieskończoności, a objętość dąży do zera. Obserwacja ta sugeruje, że obecne teorie fizyczne nie mają już zastosowania, generując proces powszechnie znany jako osobliwość. To właśnie z tego powodu Wielki Wybuch wydaje się nieadekwatny do wyjaśnienia stanu początkowego, ale zapewnia dobry opis ewolucji wszechświata od danego punktu w jego długiej historii.
Poza Wielkim Wybuchem
Powstanie wszechświata według modelu Wielkiego Wybuchu opiera się więc na teoriach, które są z pewnością wiarygodne i potwierdzone obserwacjami tylko w zakresie opisu ewolucji wszechświata od pierwotnej nukleosyntezy wzwyż. W związku z tym późniejsze stwierdzenia dotyczące ogólnego kształtu wszechświata i jego ewolucji w odległej przyszłości są szczególnie niepewne. Biorąc pod uwagę skończoność prędkości światła, obserwacja jest ograniczona tym, co możemy określić jako nieprzekraczalny horyzont, który nie pozwala na dalszą ekstrapolację.
Model ten, ponadto, opiera się na założeniach związanych z topologicznymi własnościami czasoprzestrzeni i jej regularnością i jest w rzeczywistości tylko i aż hipotetyczny. Obecny postęp technologiczny, a także niedawna obserwacja ciemnej energii, pozwoliły nam jednak poszerzyć naszą wiedzę o wszechświecie, w tym o jego ewolucji.
Pośród najbardziej znanych nowych teorii mamy tę, według której wszechświat do pewnego momentu rozszerzał się, a następnie przestał rosnąć. Dla innych ekspertów prędkość, z jaką rozszerza się wszechświat, będzie stopniowo maleć, a przyspieszenie przy 0 stanie się ujemne, co doprowadzi do Wielkiego Kryzysu i powrotu do stanu osobliwości. Dla innych jeszcze, wszechświat nigdy nie przestanie się rozszerzać, cyklicznie generując warunki do zaistnienia życia, nawet jeśli jest ono pierwotne.
Ta ostatnia hipoteza wiąże się z nazwiskiem Alana Gutha, która w 1984 r. została zaakceptowana przez większość uczonych i uznana za niezwykle wiarygodną. Z pewnością teoria Wielkiego Wybuchu, sformułowana przez Alexandra Friedmanna w 1929 r. i uzupełniona przez George'a Gamowa w 1940 r., zachowuje swój autorytet, nawet jeśli uznaje swoje własne ograniczenia. Co było przed Wielkim Wybuchem pozostaje tajemnicą, ponieważ astrofizycy odmawiają wysunięcia zbyt wielu hipotez, pozostawiając nas z historią, która może nigdy nie mieć wyjaśnienia, które zadowoli wszystkich.
Początek Wszechświata: alternatywne teorie
Jako rozległy i zazwyczaj podzielony temat, pytanie o pochodzenie wszechświata jest jednym z tych, które nieuchronnie zainspirowały wiele umysłów. Prowadzi to do powstania równie wielu teorii, a następnie do powstania niestandardowej kosmologii. Termin ten, jak mo "esz si¦ ju" domy±li¢, odnosi si¦ do ka "dego modelu kosmologicznego wszech±wiata, który był lub jest nadal proponowany jako alternatywa dla Modelu Standardowego kosmologii lub jego odniesienia do Wielkiego Wybuchu. W historii obserwacji kosmosu było wielu badaczy, którzy wyraźnie krytykowali model "Wielkiego Wybuchu", albo odrzucając całkowicie jego podstawowe założenia, albo dodając nowe, uznane za kluczowe dla stworzenia nowych teoretycznych modeli wszechświata.
W szczególności w latach 40. i 60. ubiegłego wieku społeczność naukowa była ostro podzielona między gorących zwolenników Wielkiego Wybuchu i zwolenników konkurencyjnych teorii opartych na modelu stanu ustalonego. Dziś bardzo niewielu astrofizyków dyskutuje nad jej słusznością. Wśród wyrazicieli kosmologii niestandardowej na wyróżnienie zasługuje kilka nazwisk ze świata nauki, działających głównie w XX wieku, takich jak Fred Hoyle, Paul Dirac, Kurt Gödel, Geoffrey Burbidge, Margaret Burbidge, Halton Arp, Jayant V. Narlikar, Hannes Alfvén, Eric Lerner, Dennis Sciama, Ernst Mach, Thomas Gold, Hermann Bondi, Fritz Zwicky, Christof Wetterich, Mordehai Milgrom i Johan Masreliez.