Wszechświat nie zaczął się od małego. Zaczęło się od upału.
To jest główny postulat modelu Wielkiego Wybuchu. Ta powszechnie akceptowana teoria wyjaśnia, w jaki sposób wszystko, co widzimy, powstało ze stanu ekstremalnej gęstości i temperatury. Samo wydarzenie miało miejsce 13,8 miliarda lat temu. Przed tym wydarzeniem nie było żadnego „przed” w tradycyjnym sensie. Tylko wyjątkowość.
Pomysł ten nie wziął się znikąd. Pojawił się z dwóch różnych źródeł w latach dwudziestych XX wieku. Rosyjski matematyk Alexander Friedman uzyskał rozwiązania równań Einsteina, które wskazywały na rozszerzający się wszechświat. Mniej więcej w tym samym czasie belgijski astronom Georges Lemaitre zaproponował, że wszechświat zaczął się od „pierwotnego atomu”. Obaj mieli rację. Obydwa przez pewien czas były ignorowane lub zlekceważone.
Nowoczesna wersja wykrystalizowała się dopiero w latach czterdziestych XX wieku. Praca ta jest w dużej mierze zasługą George’a Gamowa. Był fizykiem teoretykiem, urodzonym w Rosji i posiadającym obywatelstwo amerykańskie, który zdawał sobie sprawę z konsekwencji rozszerzania się i ochładzania wszechświata. On i jego koledzy przewidzieli, że jeśli Wszechświat na początku był gorący, ślady tego ciepła powinny nadal być obecne. Nazwali to kosmicznym mikrofalowym promieniowaniem tła.
To nie tylko historia. To jest fizyka. Model Wielkiego Wybuchu nie jest statycznym obrazem. To dynamiczna oś czasu. Śledzi ochłodzenie przestrzeni kosmicznej. Wyjaśnia powstawanie lekkich pierwiastków. Tworzy warunki do powstawania galaktyk. Bez tego fundamentu nie mamy punktu wyjścia do zrozumienia naszej obecnej sytuacji. Unosimy się w powietrzu po tej eksplozji.
Model zdał egzamin. Obserwacje przesunięcia ku czerwieni. Pomiary CMB. Obfitość wodoru i helu. Wszystko to wskazuje na początkowy stan gorący i gęsty. To jedyna teoria, która tak dobrze pasuje do danych.
Ale zostawia pytania. Co spowodowało ekspansję? Co się wydarzyło w pierwszej sekundzie? Model opisuje ewolucję. To nie wyjaśnia zapłonu. Ta luka pozostaje. Na razie opieramy się na dowodach. Śledzimy ekspansję wstecz. Akceptujemy Wielki Wybuch jako punkt wyjścia naszej kosmicznej historii. Nawet jeśli początek pozostaje częściowo ukryty.
Standardowy model kosmologii nie pojawia się znikąd. Opiera się na dwóch betonowych wspornikach. Jeśli jeden z nich się zawali, cała konstrukcja zaczyna się chwiać.
Pierwszym filarem jest ogólna teoria względności Alberta Einsteina. To jest podstawa. Zakłada, że nasze obecne rozumienie grawitacji poprawnie opisuje oddziaływanie całej materii we Wszechświecie. Ufamy mu, ponieważ od stulecia przetrwał niemal każdy test. Ale zaufanie nie jest dowodem.
Drugim wsparciem jest zasada kosmologiczna. Brzmi całkiem prosto. Twierdzi, że pogląd obserwatora na wszechświat nie zależy od jego kierunku ani lokalizacji. Spójrz w lewo, w prawo, w górę, w dół. Wszystko jest takie samo. Nie jesteś bardziej wyjątkowy niż jakikolwiek inny punkt w przestrzeni.
Zasada ta ma zastosowanie tylko do wielkoskalowych właściwości Wszechświata. Jeśli podejdziesz zbyt blisko, zobaczysz galaktyki, gwiazdy i puste przestrzenie. Struktura jest wszędzie. Ale jeśli uśrednimy to na miliardy lat świetlnych, stanie się jednorodne. Ta jednorodność oznacza coś głębokiego. Oznacza to, że wszechświat nie ma krawędzi.
Pomyśl o tym.
Jeśli nie ma krawędzi, oznacza to, że początek Wielkiego Wybuchu nie nastąpił w jednym konkretnym punkcie przestrzeni. Nie eksplodował w już istniejącą pustkę. Ekspansja nastąpiła przez przestrzeń wszędzie w tym samym czasie. Każdy punkt był Wielkim Wybuchem. Każdy punkt był środkiem.
Limity obliczeń
Te dwa założenia – teoria względności i jednorodność – pozwalają fizykom obliczyć historię kosmosu. Potrafią prześledzić chronologię aż do określonej epoki. Nazywa się to czasem Plancka.
Przed czasem Plancka matematyka zawodzi.
Naukowcom nie udało się jeszcze ustalić, co istniało przed tym maleńkim ułamkiem sekundy. Równania ogólnej teorii względności są sprzeczne z mechaniką kwantową w tej skali. Po prostu nie mamy działającej teorii grawitacji kwantowej. Dlatego jesteśmy ślepi na pierwsze chwile istnienia.
Możemy opisać konsekwencje. Możemy odwzorować stygnący gaz, powstawanie atomów, pierwsze gwiazdy. Ale początkowy wyzwalacz? Moment stworzenia? To pozostaje tajemnicą. Film planujemy zaczynając od pierwszej sceny. Nie wiemy, kto napisał scenariusz.
To nie jest porażka nauki. To jest warunek brzegowy. Reprezentuje limit naszych obecnych narzędzi. Wiemy, czego nie wiemy. To stanowisko jasne, nieprzyjemne i konieczne.
Chłodzący wszechświat i jego kosmiczne relikty
Wszechświat nie tylko się pojawił. Rozszerzyła się. Szybko. Ze stanu tak skompresowanego, że jego gęstość i temperatura były prawie niezgłębione, kosmos rozciągnął się, szybko ochładzając się w miarę rozszerzania się. To nie była tylko ekspansja dla samej ekspansji. Stworzył warunki, w których materia mogła w końcu przewyższyć antymaterię.
Dziś widzimy tę dominację. Ale nie było to gwarantowane. Teorie sugerują, że ta asymetryczna równowaga została ustalona w pierwszych momentach chaotycznych. I był haczyk. Te same procesy, które faworyzowały materię nad antymaterią, przewidywały coś zupełnie innego: rozpad protonu. Nie zaobserwowaliśmy jeszcze tej prognozy, ale matematyka ją potwierdza.
W tym okresie „zoo” cząstek było przepełnione. Zbyt gorąco, aby tworzyć struktury. Jest za gorąco, żeby cokolwiek się trzymało. Ale jeśli poczekasz kilka sekund, temperatura spadnie na tyle nisko, że uformują się jądra. Pierwotna nukleosynteza. To precyzyjny proces. Matematyka przewiduje pewne zależności. Wodór. Hel. Lit.
Spójrz dzisiaj na niebo. Liczba elementów jest taka sama. Dokładnie. To nie jest przybliżone przybliżenie. Jest to dokładna zgodność pomiędzy teorią a obserwacjami. To jeden z najmocniejszych filarów tego modelu.
Ale atomy? Na to musieliśmy poczekać.
Przez około milion lat Wszechświat pozostawał mglistą plazmą. Naładowane cząstki rozpraszają światło we wszystkich kierunkach. Nic nie mogło się swobodnie poruszać. Następnie temperatura spadła na tyle, że elektrony związały się z jądrami. Powstały atomy. Mgła się rozwiała. Światło, wcześniej zamknięte, nagle mogło swobodnie poruszać się w przestrzeni.
To pozostałe promieniowanie nazywamy kosmicznym mikrofalowym tłem. To jest poświata Wielkiego Wybuchu. Relikt z najdawniejszych czasów. Nie jest ciepło. Faktycznie, jest mu zimno.
Odkrycie tła mikrofalowego
Technicznie rzecz biorąc, jego temperatura wynosi 2,728 Kelwina. Tuż powyżej zera absolutnego. Jednak przez dziesięciolecia było ono znane po prostu jako tło „trzech stopni”. Ta nazwa utknęła. Tak większość ludzi to nazywa, mimo że dokładność pomiarów znacznie wzrosła.
Została odkryta w 1965 roku przez Arno Penziasa i Roberta Wilsona. Dwóch amerykańskich fizyków. Nawet go nie szukali. Aby wyeliminować zakłócenia, pracowali z anteną tubową. Ciągle słyszeli ten uporczywy syczący dźwięk. Czyścili antenę. Sprawdzili, czy nie ma odchodów gołębi. Nic nie pomogło. Hałas pozostał.
Okazało się, że sam Wszechświat przemawiał.
Odkrycie to potwierdziło przewidywania, że wczesny Wszechświat pozostawił ślad termiczny. To najstarsze światło, jakie możemy wykryć. Migawka Wszechświata w wieku około 380 000 lat. Wcześniej było nieprzezroczyste. Potem zrobiło się przejrzyście. Wszechświat się otworzył.
Ukryte cząstki i przyszłe relikty
Historia nie kończy się na fotonach. Model przewiduje obecność innych „duchów” w mechanizmie. Neutrino. Cząstki podstawowe bez masy. Brak ładunku elektrycznego. Oddziałują ze sobą tak słabo, że przechodzą przez Ziemię miliardami na sekundę, a my tego nie zauważamy.
Model Wielkiego Wybuchu przewiduje, że Wszechświat powinien być wypełniony tłem neutrin CMB. Relikty z tej samej epoki co tło mikrofalowe. Ale są niezwykle trudne do wykrycia. Są słabi. Zawiły.
Istnieje możliwość, że istnieją inne relikty. Nie wiemy, co jeszcze może czaić się w ciemności i czekać
