Lielā sprādziena teorija: Visuma rašanās un pierādījumi
Atklāj Lielā sprādziena teoriju, Visuma rašanos, sarkanās nobīdes un galaktiku veidošanos — skaidri pierādījumi un jaunākie novērojumi.
Lielais sprādziens ir mūsdienu kosmoloģijā plaši pieņemta zinātniska teorija par to, kā radās Visums un kā no tā attīstījās zvaigznes un galaktikas, ko redzam šodien. Teorija apraksta Visuma attīstību no ļoti karsta, blīva stāvokļa līdz mūsdienu plašajai, aukstajai un strukturētajai telpai.
Visuma agrīnie posmi un paplašināšanās
Saskaņā ar šo modeli Visums sākās kā ārkārtīgi karsts, mazs un blīvs stāvoklis, bez atsevišķām zvaigznēm, atomiem un struktūras — reizēm šo stāvokli raksturo kā singularitāte). Pēc tam, pirms aptuveni 13,8 miljardiem gadu, telpa sāka ļoti strauji un pastāvīgi paplašināties. Žoržs Lemotrs jau 1927. gadā pamanīja, ka, ja Visums paplašinās, izplešanos var izsekot atpakaļ un tas liecina par kādu kopēju sākumpunktu. Mūsdienu novērojumi rāda, ka Visums joprojām paplašinās un ar laiku kļūst aukstāks.
Svarīgākie novērojumu pierādījumi
Teoriju balsta vairāki neatkarīgi novērojumi:
- Sarkanā nobīde un Hablova likums. Tā kā tālu esošās galaktikas parasti attālinās no mums, to spektrs ir nospiests uz sarkano galu — tas tiek dēvēts par sarkanais nobīde. Šis efekts saistāms ar Doplera parādībām un kosmiskās paplašināšanās radītu viļņa garuma palielināšanos (Doplera efekts, viļņa garums). Mērot nobīdes, var noteikt, cik ātri objekti attālinās, un izdarīt secinājumus par Visuma paplašināšanās ātrumu.
- Kosmiskā mikroviļņu fonā starojums (CMB). Paredzēts kā agrā, karstā Visuma atliekstarojums — visur vienmērīgi izplatīts, tagad ļoti vājā un aukstā formā. Šo mikroviļņu fona starojumu 1965. gadā nejauši atklāja Arno Penzias un Roberts Vilsons; tā spektrs un mazie temperatūras svārstību modeļi sniedz spēcīgu atbalstu Lielajam sprādzienam.
- Vieglu ķīmisko elementu daudzumi. Pirmo minūšu un stundu laikā pēc sākotnējā stāvokļa notika pamata kodolreakcijas (t.s. lielo sprādzienu nukleosintēze), kas noteica Visuma sākotnējo elementu attiecības. Novērotie ķīmisko elementu daudzumi — galvenokārt ūdeņradis, hēlijs un neliels daudzums litija — atbilst modelim, kas paredzēja šo ražošanu ļoti karstā, blīvā sākotnē.
- Lielu mērogu struktūra un akustiskie svārstījumi. Galaktiku un galaktiku grupu izvietojums, kā arī signālus kā tā sauktās bariona akustiskās oscilācijas, var izskaidrot, izmantojot sākotnējos blīvuma svārstību laukus, kas CMB redzami kā mazas temperatūras izmaiņas.
- Tipa Ia sūpernovas un Visuma paātrināta paplašināšanās. Novērojumi 1990. gadu beigās (un atkārtoti mūsdienās) ar tādām zvaigžņu eksplozijām parādīja, ka Visuma paplašināšanās ātrums pēdējās miljardēs gadu ir paātrinājies — to skaidro ar tumšo enerģiju.
Inflācija un agrīnās problēmas
Dažas īpašas problēmas, piemēram, kāpēc CMB ir tik vienmērīgs un kāpēc telpa šķiet gandrīz plakana (horizon un flatness problemi), tika risinātas ar ideju par kosmisko inflāciju — ļoti ātru un īslaicīgu izplešanos uzreiz pēc Lielā sprādziena, kuru piedāvāja tādi fiziķi kā Alan Guts un Andrejs Linde. Inflācijas mehānisms palīdz paskaidrot sākotnējo blīvuma svārstību rašanos, kas vēlāk izauga par galaktikām un lielo struktūru.
Vēsturiskas piezīmes un terminoloģija
Freds Hoils, kas personīgi neticēja šai kosmoloģijai, radio raidījumā šo modeli ir nosaucis par "Lielo sprādzienu". Pretinieki šo terminu atzina par asprātīgu un to pieņēma, tādējādi nosaukums kļuva par terminoloģisku standartu. 20. gadsimta 20.–30. gados svarīgu pamatu teorijas empiriskajām saknēm deva Hablova novērojumi un teorētiskie darbi, tostarp Žoržs Lemotrs.
Kas vēl ir jāizskaidro — atvērtie jautājumi
Lielais sprādziens kā teorija skaidro daudzus novērojumus, tomēr pastāv būtiski neatbildēti jautājumi:
- Ko precīzi nozīmēja "sākums"? Standarta teorija apraksta attīstību sākot no ļoti karsta un blīva stāvokļa, taču par pašu pirmo momentu — Planka laikmeta periodu un kvantu gravitātas ietekmi — mums vēl nav pilnīgas fizikālas teorijas.
- Kas bija inflācijas cēlonis un kādi precīzi mehānismi to izraisīja? Inflācijas idejai ir spēcīga atbalsta novērojumu ziņā, bet detalizētas, eksperimentāli apstiprinātas mikroskopiskas teorijas trūkst.
- Kāds ir tumšās matērijas un tumšās enerģijas raksturs? Šīs divas sastāvdaļas būtiski ietekmē Visuma attīstību, bet to dabas joprojām nav pilnībā noskaidrota.
Viedokļi no kosmologiem
Pat kosmoloģijas pionieri un laureāti atzīst, ka, lai gan Lielā sprādziena modelis ļoti labi saskan ar daudziem novērojumiem, mūsu izpratne par Visuma sākumu nav pilnīga. Piemēram, Džims Pībelss, kuram 2019. gadā tika piešķirta Nobela prēmija fizikā par ieguldījumu fizikālajā kosmoloģijā, ir uzsvēris, ka kosmoloģijā joprojām pastāv fundamentāli jautājumi un ierobežojumi, tostarp nepilnības teorijās par pašiem agrīnākajiem posmiem. Tas nenozīmē, ka novērojumi pretstatā liecina par citu galīgu teoriju, bet drīzāk to, ka pētniecība turpinās un teorijas tiek pilnveidotas.
Kopsavilkums
Lielais sprādziens ir vispārpieņemts modelis, kas izskaidro Visuma paplašināšanos, temperatūras samazināšanos laika gaitā, ķīmisko elementu attiecības un CMB — trīs neatkarīgi, spēcīgi pierādījumi, kas kopā veido stingru atbalstu teorijai. Tomēr pētniecība turpinās: tiek meklētas tiešākas liecības par inflāciju, jaunākas un precīzākas CMB un struktūras mērījumu interpretācijas, kā arī fundamentālas teorijas, kas spētu apvienot kvantu mehāniku un gravitāciju, lai skaidrotu Visuma pašus pirmsākumus.
Lielā sprādziena modelis paredz, ka Visums ir sācies ārkārtīgi blīvā un karstā stāvoklī un ir paplašinājies. Teorija liecina, un mērījumi pierāda, ka Visums turpina paplašināties arī mūsdienās.
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir Lielais sprādziens?
A: Lielais sprādziens ir zinātniska teorija par to, kā sākās Visums un pēc tam radās zvaigznes un galaktikas, ko mēs redzam šodien. Tā ir visizplatītākā teorija par Visumu, sākot no tā pirmsākumiem līdz pat mūsdienām.
J: Kādas ir dažas alternatīvas Lielā sprādziena teorijai?
A: Lielā sprādziena teorijas alternatīvas ir tā sauktā līdzsvara stāvokļa teorija un plazmas kosmoloģija, kas abas liecina, ka Visumam nav ne sākuma, ne beigu.
J: Kā saskaņā ar šo teoriju viss sākās?
A: Saskaņā ar šo teoriju tas sākās kā ļoti karsts, mazs un blīvs superslānis (četru pamatspēku sajaukums) bez zvaigznēm, atomiem, formas vai struktūras (to sauc par "singularitāti"). Pēc tam pirms aptuveni 13,8 miljardiem gadu telpa strauji paplašinājās, kā rezultātā veidojās atomi, kas galu galā noveda pie zvaigžņu un galaktiku veidošanās.
Jautājums: Kurš pirmais pamanīja, ka var izsekot līdzi laikam, kad Visums paplašinājās?
Atbilde: Žoržs Lemērs (Georges Lemaitre) bija pirmais, kurš 1927. gadā pamanīja, ka izplešoties Visumam var izsekot atpakaļ laikā līdz vienam sākuma punktam.
Vai Visums joprojām paplašinās?
A: Jā, kopumā Visums joprojām paplašinās un laika gaitā kļūst arvien vēsāks.
J: Kas ir kosmoloģija?
A: Kosmoloģija ir pētījums par Visuma rašanos un tā attīstību laika gaitā.
J: Vai zinātnieki līdz šim ir piekrituši šai teorijai?
A: Jā, daži zinātnieki, kas pēta kosmoloģiju, ir piekrituši, ka Lielā sprādziena teorija atbilst tam, ko viņi līdz šim ir novērojuši.
Meklēt