Big Bang Theory: Hvordan universet begyndte


Big Bang-teorien repræsenterer kosmologeres bedste forsøg på at rekonstruere 14-milliarder års historien om universet baseret på eksistensen af ​​eksistensen, der ses i dag.

Forskellige mennesker bruger udtrykket "Big Bang" på forskellige måder. Mest generelt illustrerer det det observerbare universs lysbue som det udtyndes og afkøles fra en oprindeligt tæt, varm tilstand. Denne beskrivelse koger ned til ideen om, at kosmos ekspanderer, et bredt princip, der er analogt med overlevelsen af ​​de fedeste i biologi, som få ville overveje at diskutere.

Mere specifikt kan Big Bang også henvise til det observerbare universs fødsel – det øjeblik noget ændrede sig, kickstarting de begivenheder, der førte til i dag. Kosmologer har argumenteret i årtier om detaljerne i den brøkdel af et sekund, og diskussionen fortsætter i dag. [From Big Bang to Present: Snapshots of Our Universe Through Time]

For det meste af menneskets historie antog himlens observatører det evigt og uændret. Edwin Hubble behandlede denne historie et eksperimentelt slag i 1920'erne, da hans observationer viste, at der var galakser uden for Vintervejen, og at deres lys syntes stramt – et tegn på, at de skyndte sig væk fra Jorden.

George Lemaître, en moderne belgisk fysiker, tolkede data fra Hubble og andre som tegn på et ekspanderende univers, en mulighed tilladt af Einsteins nyligt offentliggjorte feltekvationer af generel relativitet. Tænker baglæns, udledte Lemaître, at dagens adskillende galakser skal have startet sammen i det, han kaldte "det ældste atom".

Den første offentlige brug af det moderne begreb for Lemaître's ide kom faktisk fra en kritiker – den engelske astronom Fred Hoyle. Den 28. marts 1949 udtrådte Hoyle sætningen under et forsvar af hans foretrukne teori om et evigt univers, der skabte materie for at afbryde fortyndingen af ​​ekspansion. Hoyle sagde tanken om, at "alt materie af universet blev skabt i et stort slag på en bestemt tid i fjerntiden," var irrationel. I senere interviews, Hoyle nægtede forsætligt at opfatte et forfalskende navn, men monikeren stak, meget til frustration af nogle.

"The Big Bang er et rigtig dårligt begreb," sagde Paul Steinhardt, en kosmolog ved Princeton. "The Big Stretch ville fange den rigtige idé." Det psykiske billede af en eksplosion forårsager alle former for forvirring, ifølge Steinhardt. Det indebærer et centralt punkt, en ekspanderende grænse og en scene hvor lysskrotteløb flyver hurtigere end tyngre klumper. Men et ekspanderende univers ser ingenting ud, sagde han. Der er ikke noget center, ingen kant og galakser store og små alle glider adskilt på samme måde (selvom mere fjerne galakser flytter hurtigere væk under den kosmologisk nylige indflydelse af mørk energi).

Uanset navnet hedder Big Bang teorien bred accept for sin uovertruffen evne til at forklare, hvad vi ser. Lysbalancen med partikler som protoner og neutroner i løbet af de første 3 minutter, for eksempel, lad tidlige elementer danne en hastighed, der forudsiger de nuværende mængder helium og andre lysatomer.

"Der var et lille vindue i tide, hvor det var muligt for kerner at danne sig," siger Glennys Farrar, en kosmolog ved New York University. "Herefter fortsatte universet med at vokse, og de kunne ikke finde hinanden og før [the window] det var for varmt. "

Et uklart plasma fyldte universet i de næste 378.000 år, indtil yderligere køling lod elektroner og protoner danne neutrale hydrogenatomer og tågen ryddet. Lyset, der udsendes under denne proces, som siden er strakt til mikrobølger, er den tidligste kendte genstand, som forskere kan studere direkte. Kendt som kosmisk mikrobølge baggrund (CMB) stråling, mange forskere anser det for det stærkeste bevis for Big Bang.

Men som kosmologer skubbet længere tilbage ind i universets første øjeblikke, blev historien oprivet. Generelle relativitetens ligninger foreslog et første spejl af ubegrænset varme og densitet – en singularitet. Ud over at ikke have meget fysisk forstand matchede en enestående oprindelse ikke den glatte, flade CMB. Fluktuationer i speckens formidable temperatur og densitet ville have produceret skyder af himmel med forskellige egenskaber, men CMB'ens temperatur varierer med kun en brøkdel af en grad. Krumtidens krumning ser også ret flad ud, hvilket indebærer en indledende næsten perfekt balance mellem materie og krumning, som de fleste kosmologer finder usandsynlige.

Alan Guth foreslog et nyt billede af den første brøkdel af et sekund i 1980'erne, hvilket tyder på, at universet brugte sine tidligste øjeblikke vokset eksponentielt hurtigere end det gør i dag. På et tidspunkt stoppede denne proces, og bremserne producerede et tæt og varmt (men ikke uendeligt så) rod af partikler, der tager plads til singulariteten. "Jeg tænker på det som Big Bang, da universet blev varmt," siger Farrar.

Inflationsteorien, som den hedder, har nu en overflod af konkurrerende modeller. Selv om ingen vidste meget om, hvad universet blev udvidet så hurtigt, er teorien blevet populær for sin evne til at forklare den tilsyneladende usandsynlige, featurløse CMB: Inflation bevarede mindre svingninger (som udviklede sig til dagens galakse-klynger), mens de flattede de store. "Det er en meget sød historie," sagde Steinhardt, som hjalp med at udvikle teorien. "Det er det, vi fortæller vores børn."

Nylig forskning har introduceret to rynker ind i inflationsteoriens kosmiske fortælling. Arbejd af Steinhardt og andre antyder, at inflationen ville være stoppet i nogle regioner (som vores observerbare univers), men fortsatte i andre, og producerer en række separate områder med "alle tænkelige sæt kosmologiske egenskaber", som Steinhardt sætter det. Mange fysikere finder dette "multiverse" billede usmageligt, fordi det gør et uendeligt antal upræcise forudsigelser.

På forsøgsfronten forventer kosmologer, at inflationen burde have produceret galakse-spændende gravitationsbølger i CMB, ligesom det gav små temperatur- og tæthedsvariationer. Nuværende eksperimenter skal være følsomme nok til at finde dem, men de primordiale rumtider har ikke vist sig (trods en falsk alarm i 2014).

Mange forskere afventer mere præcise CMB-målinger, der kan dræbe eller validere de mange inflationsmodeller, der stadig står. Andre fysikere ser dog ikke kosmosens glathed som et problem overhovedet – det startede ensartet og behøver ingen forklaring.

Mens eksperimentister stræber efter nye niveauer af præcision, har nogle teoretikere vendt sig væk fra inflationen for at søge andre måder at squash universet fladt. Steinhardt arbejder for eksempel på en "big bounce" -model, som skubber startklokken tilbage endnu længere til en tidligere sammentrækningsperiode, der udglatterede rumtiden og sætter scenen for en eksplosiv ekspansion. Han håber, at nye signaturer foruden problemer som manglen på primordiale gravitationsbølger vil sætte kosmologer op med en ny skabelseshistorie at fortælle. "Er der andre observerbare funktioner at kigge efter?" Steinhardt sagde: "Spørg mig igen om et par år, og jeg håber at få svar."

Ekstra ressourcer: