Forstå Big-Bang-teorien

Teorien bak universets opprinnelse

John Lund/Photographer's Choice/Getty Images

Big-Bang-teorien er den dominerende teorien om universets opprinnelse. I hovedsak sier denne teorien at universet begynte fra et første punkt eller singularitet, som har utvidet seg over milliarder av år for å danne universet slik vi nå kjenner det.

Tidlig ekspanderende universfunn

I 1922 fant en russisk kosmolog og matematiker ved navn Alexander Friedman at løsninger påAlbert Einstein's generell relativitetsteori feltligninger resulterte i et ekspanderende univers. Som en troende på et statisk, evig univers, la Einstein til en kosmologisk konstant til ligningene sine, 'korrigerte' for denne 'feilen' og eliminerte dermed utvidelsen. Han ville senere kalle dette den største tabben i livet hans.

Faktisk var det allerede observasjonsbevis til støtte for et ekspanderende univers. I 1912 observerte den amerikanske astronomen Vesto Slipher en spiralgalakse - betraktet som en 'spiraltåke' på den tiden, siden astronomene ennå ikke visste at det fantes galakser utenfor Melkeveien – og spilte inn det rødforskyvning , forskyvningen av en lyskilde mot den røde enden av lysspekteret. Han observerte at alle slike tåker reiste bort fra jorden. Disse resultatene var ganske kontroversielle på den tiden, og deres fulle implikasjoner ble ikke vurdert.

I 1924, astronom Edwin Hubble klarte å måle avstanden til disse 'tåkene' og oppdaget at de var så langt unna at de faktisk ikke var en del av Melkeveien. Han hadde oppdaget at Melkeveien bare var en av mange galakser, og at disse 'tåkene' faktisk var galakser i seg selv.

Big Bangs fødsel

I 1927 beregnet den romersk-katolske presten og fysikeren Georges Lemaitre uavhengig Friedman-løsningen og foreslo igjen at universet måtte utvide seg. Denne teorien ble støttet av Hubble da han i 1929 fant at det var en sammenheng mellom avstanden til galaksene og mengden av rødforskyvning i lyset av den galaksen. De fjerne galaksene beveget seg raskere bort, noe som var nøyaktig det som ble forutsagt av Lemaitres løsninger.

I 1931 gikk Lemaitre videre med sine spådommer, og ekstrapolerte bakover i tid finne at universets materie ville nå en uendelig tetthet og temperatur på et begrenset tidspunkt i fortiden. Dette betydde at universet må ha begynt i et utrolig lite, tett punkt av materie, kalt et 'uratom'.

Det faktum at Lemaitre var en romersk-katolsk prest bekymret noen, da han la frem en teori som presenterte et bestemt øyeblikk av 'skapelse' for universet. På 1920- og 1930-tallet var de fleste fysikere – som Einstein – tilbøyelige til å tro at universet alltid hadde eksistert. I hovedsak ble big-bang-teorien sett på som for religiøs av mange mennesker.

Big Bang vs. Steady State

Mens flere teorier ble presentert for en tid, var det egentlig bare Fred Hoyles steady-state teori som ga noen reell konkurranse for Lemaitres teori. Det var, ironisk nok, Hoyle som laget uttrykket 'Big Bang' under en radiosending fra 1950-tallet, og mente det var en hånlig betegnelse for Lemaitres teori.

Steady-state-teorien spådde det nye saken ble skapt slik at universets tetthet og temperatur holdt seg konstant over tid, selv mens universet utvidet seg. Hoyle spådde også at tettere grunnstoffer ble dannet fra hydrogen og helium gjennom prosessen med stjernenukleosyntese , som i motsetning til steady-state-teorien har vist seg å være nøyaktig.

George Gamow - en av Friedmans elever - var den store forkjemperen for big-bang-teorien. Sammen med kollegene Ralph Alpher og Robert Herman forutså han den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen (CMB), som er stråling som skulle eksistere i hele universet som en rest av Big Bang. Etter hvert som atomer begynte å dannes i løpet av rekombinasjonstid , tillot de mikrobølgestråling (en form for lys) å reise gjennom universet, og Gamow spådde at dette mikrobølgestråling vil fortsatt kunne observeres i dag.

Debatten fortsatte til 1965 da Arno Penzias og Robert Woodrow Wilson snublet over CMB mens de jobbet for Bell Telephone Laboratories. Dicke-radiometeret deres, brukt til radioastronomi og satellittkommunikasjon, fanget opp en temperatur på 3,5 K (en nær match til Alpher og Hermans spådom på 5 K).

Gjennom slutten av 1960-tallet og begynnelsen av 1970-tallet forsøkte noen talsmenn for steady-state fysikk å forklare dette funnet mens de fortsatt benektet big-bang-teorien, men mot slutten av tiåret var det klart at CMB-strålingen ikke hadde noen annen plausibel forklaring. Penzias og Wilson mottok Nobelprisen i fysikk i 1978 for denne oppdagelsen.

Kosmisk inflasjon

Visse bekymringer gjensto imidlertid angående big-bang-teorien. En av disse var problemet med homogenitet. Forskere spurte: Hvorfor ser universet identisk ut når det gjelder energi, uavhengig av hvilken retning man ser? Big-bang-teorien gir ikke det tidlige universet tid til å nå termisk likevekt , så det burde være forskjeller i energi i hele universet.

I 1980 foreslo den amerikanske fysikeren Alan Guth formelt inflasjonsteori for å løse dette og andre problemer. Denne teorien sier at i de tidlige øyeblikkene etter Big Bang, var det en ekstremt rask utvidelse av det begynnende universet drevet av 'negativt trykk vakuumenergi' (som kan være på en eller annen måte relatert til gjeldende teorier om mørk energi ). Alternativt har inflasjonsteorier, lignende i konsept, men med litt andre detaljer, blitt fremsatt av andre i årene siden.

Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP)-programmet av NASA, som startet i 2001, har gitt bevis som sterkt støtter en inflasjonsperiode i det tidlige universet. Disse bevisene er spesielt sterke i de treårige dataene som ble utgitt i 2006, selv om det fortsatt er noen mindre uoverensstemmelser med teorien. Nobelprisen i fysikk i 2006 ble tildelt John C. Mather og George Smoot, to nøkkelarbeidere i WMAP-prosjektet.

Eksisterende kontroverser

Mens Big Bang-teorien er akseptert av det store flertallet av fysikere, er det fortsatt noen mindre spørsmål angående den. Viktigst er imidlertid spørsmålene som teorien ikke engang kan forsøke å svare på:

• Hva fantes før Big Bang?
• Hva forårsaket Big Bang?
• Er universet vårt det eneste?

Svarene på disse spørsmålene kan godt eksistere utenfor fysikkens område, men de er likevel fascinerende, og svar som f.eks. multivers hypoteser gir et spennende område for spekulasjoner for forskere og ikke-vitenskapsmenn.

Andre navn for Big Bang

Da Lemaitre opprinnelig foreslo sin observasjon om det tidlige universet, kalte han denne tidlige tilstanden til universet for uratomet. År senere ville George Gamow bruke navnet ylem for det. Det har også blitt kalt uratomet eller til og med det kosmiske egget.