Razumevanje teorije velikega poka

Teorija o nastanku vesolja

John Lund/Photographer's Choice/Getty Images

Teorija velikega poka je prevladujoča teorija o nastanku vesolja. V bistvu ta teorija navaja, da se je vesolje začelo iz začetne točke ali singularnosti, ki se je skozi milijarde let širila in oblikovala vesolje, kot ga poznamo zdaj.

Ugotovitve o zgodnjem razširjajočem se vesolju

Leta 1922 je ruski kozmolog in matematik Alexander Friedman ugotovil, da so rešitve zaAlbert Einstein's splošna relativnost poljske enačbe povzročile širitev vesolja. Kot vernik v statično, večno vesolje je Einstein svojim enačbam dodal kozmološko konstanto, ki je 'popravila' to 'napako' in tako odpravila širitev. Kasneje je to označil za največjo napako v svojem življenju.

Pravzaprav so že obstajali opazovalni dokazi v podporo širitve vesolja. Leta 1912 je ameriški astronom Vesto Slipher opazoval spiralno galaksijo, ki je takrat veljala za 'spiralno meglico', saj astronomi še niso vedeli, da obstajajo galaksije onstran mlečna cesta — in ga posnel rdeči premik , premik svetlobnega vira proti rdečemu koncu svetlobnega spektra. Opazil je, da vse takšne meglice potujejo stran od Zemlje. Ti rezultati so bili takrat precej kontroverzni in njihove popolne posledice niso bile upoštevane.

Leta 1924 astronom Edwin Hubble je lahko izmeril razdaljo do teh 'meglic' in odkril, da so tako daleč, da dejansko niso del Rimske ceste. Odkril je, da je Rimska cesta le ena od mnogih galaksij in da so te 'meglice' pravzaprav galaksije same po sebi.

Rojstvo velikega poka

Leta 1927 je rimskokatoliški duhovnik in fizik Georges Lemaitre neodvisno izračunal Friedmanovo rešitev in ponovno predlagal, da se vesolje širi. To teorijo je podprl Hubble, ko je leta 1929 ugotovil, da obstaja povezava med oddaljenostjo galaksij in količino rdeči premik v svetlobi te galaksije. Oddaljene galaksije so se hitreje oddaljevale, kar je bilo točno to, kar so napovedovale Lemaitrove rešitve.

Leta 1931 je Lemaitre šel še dlje s svojimi napovedmi in ekstrapoliral nazaj v ugotovitev, da bo materija vesolja dosegla neskončno gostoto in temperaturo v končnem času v preteklosti. To je pomenilo, da se je vesolje moralo začeti v neverjetno majhni, gosti točki snovi, imenovani 'praatom'.

Dejstvo, da je bil Lemaitre rimskokatoliški duhovnik, je nekatere skrbelo, saj je postavljal teorijo, ki je vesolju predstavljala določen trenutek 'ustvarjanja'. V 1920-ih in 1930-ih je bila večina fizikov – tako kot Einstein – nagnjena k prepričanju, da je vesolje vedno obstajalo. V bistvu se je mnogim ljudem teorija velikega poka zdela preveč religiozna.

Veliki pok proti stabilnemu stanju

Čeprav je bilo nekaj časa predstavljenih več teorij, je bila v resnici samo Freda Hoyla teorija stabilnega stanja ki je predstavljal pravo konkurenco Lemaitrovi teoriji. Ironično je bil Hoyle tisti, ki je med radijsko oddajo v petdesetih letih prejšnjega stoletja skoval besedno zvezo 'veliki pok' in jo nameraval uporabiti kot posmehljiv izraz za Lemaitrovo teorijo.

Teorija stacionarnega stanja je napovedala to novo zadeva je bil ustvarjen tako, da sta gostota in temperatura vesolja skozi čas ostali nespremenjeni, tudi ko se je vesolje širilo. Hoyle je tudi napovedal, da so gostejši elementi nastali iz vodika in helija skozi proces zvezdna nukleosinteza , ki se je za razliko od teorije stabilnega stanja izkazala za pravilno.

George Gamow, eden od Friedmanovih učencev, je bil glavni zagovornik teorije velikega poka. Skupaj s kolegoma Ralphom Alpherjem in Robertom Hermanom je napovedal sevanje kozmičnega mikrovalovnega ozadja (CMB), to je sevanje, ki bi moralo obstajati po vsem vesolju kot ostanek velikega poka. Ko so se atomi začeli oblikovati med doba rekombinacije , so omogočili mikrovalovno sevanje (oblika svetlobe), da potuje skozi vesolje, in Gamow je napovedal, da bo to mikrovalovno sevanje bi bilo mogoče opaziti še danes.

Razprava se je nadaljevala do leta 1965, ko sta Arno Penzias in Robert Woodrow Wilson med delom za Bell Telephone Laboratories naletela na CMB. Njihov radiometer Dicke, ki se uporablja za radioastronomijo in satelitske komunikacije, je zaznal temperaturo 3,5 K (kar se zelo ujema z Alpherjevo in Hermanovo napovedjo 5 K).

V poznih šestdesetih in zgodnjih sedemdesetih letih prejšnjega stoletja so nekateri zagovorniki fizike stabilnega stanja poskušali razložiti to ugotovitev, medtem ko so še vedno zanikali teorijo velikega poka, toda do konca desetletja je postalo jasno, da sevanje CMB nima druge verjetne razlage. Penzias in Wilson sta leta 1978 za to odkritje prejela Nobelovo nagrado za fiziko.

Kozmična inflacija

Določeni pomisleki pa so ostali glede teorije velikega poka. Eden od teh je bil problem homogenosti. Znanstveniki so vprašali: Zakaj je vesolje glede energije videti enako, ne glede na to, v katero smer gledamo? Teorija velikega poka zgodnjemu vesolju ne daje časa za dosego toplotno ravnotežje , torej bi morale biti razlike v energiji v celotnem vesolju.

Leta 1980 je ameriški fizik Alan Guth uradno predlagal teorija inflacije za rešitev te in drugih težav. Ta teorija pravi, da je v zgodnjih trenutkih po velikem poku prišlo do izjemno hitre širitve nastajajočega vesolja, ki ga je poganjala 'energija vakuuma negativnega tlaka' (ki maj na nek način povezana s trenutnimi teorijami temna energija ). Druga možnost je, da so teorije inflacije, podobne konceptu, vendar z nekoliko drugačnimi podrobnostmi, predstavili drugi v letih od takrat.

Nasin program Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), ki se je začel leta 2001, je zagotovil dokaze, ki močno podpirajo obdobje inflacije v zgodnjem vesolju. Ti dokazi so še posebej močni v triletnih podatkih, objavljenih leta 2006, čeprav je še vedno nekaj manjših nedoslednosti s teorijo. Nobelovo nagrado za fiziko leta 2006 sta prejela John C. Mather in George Smoot, dva ključna delavca pri projektu WMAP.

Obstoječe polemike

Medtem ko teorijo velikega poka sprejema velika večina fizikov, je v zvezi z njo še vedno nekaj manjših vprašanj. Najpomembnejša pa so vprašanja, na katera teorija sploh ne more odgovoriti:

• Kaj je obstajalo pred velikim pokom?
• Kaj je povzročilo veliki pok?
• Je naše vesolje edino?

Odgovori na ta vprašanja morda obstajajo zunaj področja fizike, vendar so kljub temu fascinantni in odgovori, kot je multiverse hipoteze ponujajo zanimivo področje špekulacij za znanstvenike in neznanstvenike.

Druga imena za Veliki pok

Ko je Lemaitre prvotno predlagal svoje opazovanje o zgodnjem vesolju, je to zgodnje stanje vesolja poimenoval prvobitni atom. Leta pozneje je George Gamow zanj uporabil ime ylem. Imenovali so ga tudi prvobitni atom ali celo kozmično jajce.