Lielā sprādziena teorijas izpratne

Lielā sprādziena teorija ir dominējošā Visuma izcelsmes teorija. Pēc būtības šī teorija apgalvo, ka Visums sākās no sākotnējā punkta jeb singularitātes, kas miljardu gadu laikā ir paplašinājies, lai izveidotu Visumu tādu, kādu mēs to tagad zinām.

1922. gadā krievu kosmologs un matemātiķis, vārdā Aleksandrs Frīdmens, atrada risinājumus Alberts Einšteins's vispārējā relativitāte lauka vienādojumu rezultātā paplašinājās Visums. Būdams ticīgs statiskam, mūžīgajam visumam, Einšteins saviem vienādojumiem pievienoja kosmoloģisko konstanti, "labojot" šo "kļūdu" un tādējādi novēršot paplašināšanos. Vēlāk viņš to nosauks par lielāko savas dzīves briesmu.

Faktiski jau bija novērojami pierādījumi, ka visums paplašinās. 1912. gadā amerikāņu astronoms Vesto Sliders novēroja spirālveida galaktiku - tolaik to uzskatīja par “spirālveida miglāju”, jo astronomi vēl nezināja, ka ārpus galaktikām ir piena ceļšUn ierakstīja sarkanā maiņa, gaismas avota nobīde pret gaismas spektra sarkano galu. Viņš novēroja, ka visi šādi miglāji dodas prom no Zemes. Šie rezultāti tolaik bija diezgan pretrunīgi, un netika ņemta vērā to pilnīga ietekme.

1924. gadā astronoms Edvīns Habls spēja izmērīt attālumu līdz šiem "miglājiem" un atklāja, ka tie ir tik tālu, ka faktiski nav Piena ceļa sastāvdaļa. Viņš bija atklājis, ka Piena ceļš ir tikai viena no daudzajām galaktikām un ka šie "miglāji" patiesībā ir galaktikas.

1927. gadā Romas katoļu priesteris un fiziķis Georges Lemaitre patstāvīgi aprēķināja Frīdmena risinājumu un atkal ieteica, ka Visumam ir jāpaplašinās. Šo teoriju atbalstīja Habls, kad 1929. gadā viņš atklāja, ka pastāv korelācija starp galaktiku attālumu un sarkanā maiņa tajā galaktikas gaismā. Tālākās galaktikas attālinājās ātrāk, un tas bija tieši tas, ko paredzēja Lemaitre risinājumi.

1931. gadā Lemaitre devās tālāk ar savām prognozēm, ekstrapolējot laikā atpakaļ, lai atrastu, ka Visuma matērija noteiktā laikā pagātnē sasniegs bezgalīgu blīvumu un temperatūru. Tas nozīmēja, ka Visumam ir jābūt iesāktam neticami mazā, blīvā matērijas punktā, ko sauc par “pirmatnējo atomu”.

Fakts, ka Lemaitre bija Romas katoļu priesteris, uztrauca dažus, jo viņš izvirzīja teoriju, kas Visumam parādīja noteiktu "radīšanas" brīdi. 1920. un 1930. gados vairumam fiziķu, tāpat kā Einšteinam, bija tendence uzskatīt, ka Visums vienmēr ir pastāvējis. Būtībā lielo sprādzienu teoriju daudzi cilvēki uzskatīja par pārāk reliģiozu.

Kaut arī vienā laikā tika iesniegtas vairākas teorijas, tas tiešām bija tikai Fred Hoyle's līdzsvara stāvokļa teorija kas nodrošināja jebkādu reālu konkurenci par Lemaitre teoriju. Ironiski, ka Hoils 1950. gadu radiopārraides laikā izgudroja frāzi “Lielais sprādziens”, nodomājot to kā Lemaitreja teorijas izklaidējošu apzīmējumu.

Līdzsvara stāvokļa teorija paredzēja šo jauno matērija tika izveidots tā, ka Visuma blīvums un temperatūra laika gaitā bija nemainīgi, pat Visuma paplašināšanās laikā. Hoila arī paredzēja, ka blīvākie elementi no ūdeņraža un hēlija veidojas zvaigžņu nukleosintēze, kas atšķirībā no līdzsvara stāvokļa teorijas ir izrādījies precīzs.

Džordžs Gamovs - viens no Frīdmena skolēniem - bija lielās sprādziena teorijas lielākais aizstāvis. Kopā ar kolēģiem Ralfu Alferu un Robertu Hermanu viņš paredzēja kosmisko mikroviļņu fonu (CMB) starojums, kas ir starojums, kam vajadzētu pastāvēt visā Visumā kā Lielā paliekai Bang. Kad atomi sāka veidoties rekombinācijas laikmets, viņi ļāva mikroviļņu starojumam (gaismas veidam) pārvietoties pa Visumu, un Gamovs paredzēja, ka tas notiks mikroviļņu starojums joprojām būtu novērojams šodien.

Debates turpinājās līdz 1965.gadam, kad Arno Penzias un Roberts Vudro Vilsons klupināja CMB, strādājot Bell Telephone Laboratories. Viņu Dicke radiometrs, ko izmanto radioastronomijai un satelīta sakariem, pacēla 3,5 K temperatūru (tas precīzi atbilst Alfera un Hermaņa prognozētajam 5 K).

60. gadu beigās un 70. gadu sākumā daži līdzsvara stāvokļa fizikas piekritēji mēģināja izskaidrot šo atradumu, vēl joprojām noliedzot lielā sprādziena teoriju, bet desmitgades beigās bija skaidrs, ka CMB starojumam nav citu ticamu skaidrojums. Penzias un Wilson par šo atklājumu saņēma 1978. gada Nobela prēmiju fizikā.

Tomēr dažas bažas joprojām bija par lielā sprādziena teoriju. Viens no tiem bija viendabīguma problēma. Zinātnieki jautāja: Kāpēc Visums enerģijas ziņā ir identisks, neatkarīgi no tā, kurā virzienā tas izskatās? Lielā sprādziena teorija nedod agrīnajam Visumam laiku sasniegt termiskais līdzsvars, tāpēc visā Visumā vajadzētu būt enerģijas atšķirībām.

1980. gadā oficiāli ierosināja amerikāņu fiziķis Alans Guts inflācijas teorija lai atrisinātu šo un citas problēmas. Šī teorija saka, ka pirmajos brīžos pēc Lielā sprādziena notika ārkārtīgi strauja topošā Visuma paplašināšanās, ko virzīja "negatīvā spiediena vakuuma enerģija" (kas var savā ziņā būt saistītam ar pašreizējām teorijām tumšā enerģija). Kopš tā laika citi ir izvirzījuši arī inflācijas teorijas, kas pēc koncepcijas ir līdzīgas, bet ar nedaudz atšķirīgām detaļām.

NASA izstrādātā Vilkinsona mikroviļņu anizotropijas zondes (WMAP) programma, kas sākās 2001. gadā, ir sniegusi pierādījumus, kas stingri atbalsta inflācijas periodu agrīnajā Visumā. Īpaši spēcīgi šie pierādījumi ir 2006. gada publiskotajos trīs gadu datos, lai gan joprojām pastāv nelielas neatbilstības teorijai. 2006. gada Nobela prēmija fizikā tika piešķirta Džonam C. Mather un George Smoot, divi galvenie WMAP projekta darbinieki.

Kaut arī lielais vairums fiziķu pieļauj Lielā sprādziena teoriju, joprojām ir daži nelieli jautājumi. Tomēr vissvarīgākie ir jautājumi, uz kuriem teorija pat nemēģina atbildēt:

• Kas pastāvēja pirms lielā sprādziena?
• Kas izraisīja lielo sprādzienu?
• Vai mūsu Visums ir vienīgais?

Atbildes uz šiem jautājumiem var pastāvēt ārpus fizikas jomas, taču tās tomēr ir aizraujoši, un tādas atbildes kā multiverse hipotēze nodrošina intriģējošu spekulāciju jomu gan zinātniekiem, gan nezinātniekiem.

Kad Lemaitre sākotnēji ierosināja savu novērojumu par agrīno Visumu, viņš šo agrīno Visuma stāvokli sauca par pirmatnējo atomu. Gadu vēlāk Džordžs Gamovs tam lietos vārdu ylem. To sauca arī par pirmatnējo atomu vai pat par kosmisko olu.