Ce este teoria Big Bang?

- Nasterea universului
- Intrebari frecvente despre teoria Big Bang la care un expert a raspuns
- A fost dovedita teoria Big Bang?
- Exista vreo intamplare care sa contrazica Teoria Big Bang?
- Cand a fost stabilita Teoria Big Bang?
- Modelarea Big Bang-ului
- Varsta universului
- Ce sunt undele gravitationale?
- A fost Big Bang-ul o explozie?
- Expansiunea universului
- JWST si Big Bang
- Teoria Big Bang: a deveni un nume cunoscut
Tehnologia existenta nu le permite inca astronomilor sa priveasca literalmente inapoi la nasterea universului, o mare parte din ceea ce intelegem despre Big Bang provine din formule si modele matematice. Cu toate acestea, astronomii pot vedea „ecoul” expansiunii printr-un fenomen cunoscut sub numele de fundal cosmic cu microunde.
In timp ce majoritatea comunitatii astronomice accepta teoria, exista unii teoreticieni care au explicatii alternative in afara de Big Bang - cum ar fi inflatia eterna sau un univers oscilant.
Nasterea universului
Cu aproximativ 13,7 miliarde de ani in urma, totul in intregul univers a fost condensat intr-o singularitate infinitezimal de mica, un punct de densitate si caldura infinite.
Dintr-o data, a inceput o expansiune exploziva, care ne avanta universul mai repede decat viteza luminii. Aceasta a fost o perioada de inflatie cosmica care a durat doar cateva fractiuni de secunda - aproximativ 10^-32 de secunda, conform teoriei din 1980 a fizicianului Alan Guth, care a schimbat pentru totdeauna modul in care gandim despre Big Bang.
Cand inflatia cosmica a ajuns la un sfarsit brusc si inca misterios, descrierile mai clasice ale Big Bang-ului au luat loc. Un potop de materie si radiatii, cunoscut sub numele de „reincalzire”, a inceput sa populeze universul nostru cu lucruri pe care le cunoastem astazi: particule, atomi, lucruri care vor deveni stele si galaxii si asa mai departe.
Toate acestea s-au intamplat in doar prima secunda de la inceputul universului, cand temperatura tuturor era inca nebuneste de calda, la aproximativ 10 miliarde de grade Fahrenheit (5,5 miliarde Celsius), potrivit NASA. Cosmosul continea acum o gama larga de particule fundamentale, cum ar fi neutroni, electroni si protoni - materiile prime care aveau sa devina blocurile de constructie pentru tot ceea ce exista astazi.
Aceasta „supa” timpurie ar fi fost imposibil de vazut, deoarece nu putea retine lumina vizibila. „Electronii liberi ar fi facut ca lumina (fotonii) sa se imprastie in felul in care lumina soarelui se imprastie din picaturile de apa din nori”, a declarat NASA. Cu timpul, insa, acesti electroni liberi s-au intalnit cu nuclee si au creat atomi neutri sau atomi cu sarcini electrice egale pozitive si negative.
Acest lucru a permis luminii sa straluceasca in sfarsit, la aproximativ 380.000 de ani dupa Big Bang.
Numita uneori „stralucirea ulterioara” a Big Bang-ului, aceasta lumina este mai bine cunoscuta ca fundalul cosmic cu microunde (CMB). A fost prezis pentru prima data de Ralph Alpher si alti oameni de stiinta in 1948, dar a fost gasit doar intamplator aproape 20 de ani mai tarziu.
O harta a radiatiilor de fundal ramase de la Big Bang, luata de sonda spatiala Planck a ESA, a capturat cea mai veche lumina din univers. Aceste informatii ii ajuta pe astronomi sa determine varsta universului. (Credit imagine: ESA si colaborarea Planck, CC BY-SA)Aceasta descoperire accidentala s-a petrecut cand Arno Penzias si Robert Wilson, ambii de la Bell Telephone Laboratories din New Jersey, construiau un receptor radio in 1965 si au ridicat temperaturi mai ridicate decat cele asteptate, potrivit unui articol NASA. La inceput, ei au crezut ca anomalia se datoreaza porumbeilor care incercau sa se odihneasca in interiorul antenei si deseurile lor, dar au curatat mizeria si au ucis porumbeii, iar anomalia a persistat.
Simultan, o echipa de la Universitatea Princeton condusa de Robert Dicke incerca sa gaseasca dovezi ale CMB si si-a dat seama ca Penzias si Wilson au dat peste ea cu observatiile lor ciudate. Cele doua grupuri au publicat fiecare lucrari in Astrophysical Journal in 1965.

Intrebari frecvente despre teoria Big Bang la care un expert a raspuns
I-am adresat lui Jason Steffens, profesor asistent de fizica si astronomie la Universitatea din Nevada, Las Vegas, cateva intrebari frecvente despre teoria Big Bang.
Jason Steffens este profesor asistent de fizica si astronomie la Universitatea din Nevada, Las Vegas.
A fost dovedita teoria Big Bang?
Aceasta nu este cu adevarat o afirmatie pe care o putem face in general. Cel mai bine putem face este sa spunem ca exista dovezi puternice pentru Teoria Big Bang si ca fiecare test pe care il aruncam revine in sprijinul teoriei. Matematicienii demonstreaza lucruri, dar oamenii de stiinta pot spune doar ca dovezile sustin o teorie cu un anumit grad de incredere care este intotdeauna mai mic de 100%.
Deci, un raspuns scurt la o intrebare usor diferita este ca toate dovezile observationale pe care le-am adunat sunt in concordanta cu predictiile Teoriei Big Bang. Cele mai importante trei observatii sunt:
1) Legea Hubble arata ca obiectele indepartate se indeparteaza de noi intr-o rata proportionala cu distanta lor - care apare atunci cand exista o expansiune uniforma in toate directiile. Aceasta implica o istorie in care totul a fost mai aproape unul de altul.
2) Proprietatile radiatiei cosmice de fond cu microunde (CMB). Aceasta arata ca universul a trecut printr-o tranzitie de la un gaz ionizat (o plasma) si un gaz neutru. O astfel de tranzitie implica un univers timpuriu fierbinte, dens, care s-a racit pe masura ce s-a extins. Aceasta tranzitie a avut loc dupa aproximativ 400.000 de ani dupa Big Bang.
3) Abundenta relativa a elementelor luminoase (He-4, He-3, Li-7 si Deuterium). Acestea s-au format in timpul erei nucleosintezei Big Bang (BBN) in primele minute dupa Big Bang. Abundenta lor arata ca universul era cu adevarat fierbinte si foarte dens in trecut (spre deosebire de conditiile in care s-a format CMB, care era doar obisnuit fierbinte si densa - exista aproximativ un factor de un milion de diferenta de temperatura intre momentul in care a aparut BBN si cand a aparut CMB).
Exista vreo intamplare care sa contrazica Teoria Big Bang?
Nu din cate stiu eu. Exista unele probleme care apar cu cel mai simplu model al Big Bang, dar acestea pot fi rezolvate prin invocarea unui proces fizic care este inca in concordanta cu premisa de baza a Teoriei Big Bang. Mai exact, faptul ca temperatura CMB este aceeasi peste tot, ca universul nu pare sa aiba nicio curbura si ca fluctuatiile de densitate din predictiile mecanice cuantice nu produc clustere de galaxii de dimensiunea si forma potrivita astazi. Aceste trei probleme sunt rezolvate cu teoria inflatiei – care face parte din teoria Big Bang mai larga.
Cand a fost stabilita Teoria Big Bang?
Cui i-a venit ideea?
Hubble a fost intr-adevar persoana care a stabilit observatiile. Dovezile au continuat sa creasca, mai ales in anii 1970 odata cu depistarea CMB-ului. Termenul „Big Bang” a fost folosit pentru prima data la sfarsitul anilor 1940 de astronomul Fred Hoyle – in cele din urma, a prins in anii 1970.
Modelarea Big Bang-ului
Pentru ca nu il putem vedea direct, oamenii de stiinta au incercat sa-si dea seama cum sa „vada” Big Bang-ul prin alte masuri. Intr-un caz, cosmologii apasa inapoi pentru a ajunge la prima clipa dupa Big Bang, simuland 4.000 de versiuni ale universului actual pe un supercomputer masiv.
„Incercam sa facem ceva de genul sa ghicim o fotografie de bebelus a universului nostru din cea mai recenta imagine”, a declarat liderul studiului Masato Shirasaki, cosmolog la Observatorul National Astronomic al Japoniei (NAOJ), pe site-ul nostru parte Live Science.

Cu ceea ce se stie despre univers astazi, cercetatorii din acest studiu din 2021 si-au comparat intelegerea modului in care fortele gravitationale au interactionat in universul primordial cu miile lor de universuri modelate pe computer. Daca ar putea prezice conditiile de inceput ale universurilor lor virtuale, ei sperau sa fie capabili sa prezica cu exactitate cum ar fi putut arata propriul nostru univers la inceput.
Alti cercetatori au ales cai diferite pentru a interoga inceputurile universului nostru.
Intr-un studiu din 2020, cercetatorii au facut acest lucru prin investigarea diviziunii dintre materie si antimaterie. In studiu, care nu a fost inca revizuit de colegi, ei au propus ca dezechilibrul cantitatii de materie si antimaterie din univers este legat de cantitatile vaste de materie intunecata din univers, o substanta necunoscuta care exercita influenta asupra gravitatiei si totusi nu interactioneaza. cu lumina. Ei au sugerat ca in momentele cruciale imediat dupa Big Bang, universul ar fi fost impins sa produca mai multa materie decat inversul sau, antimaterie, ceea ce ar fi putut duce apoi la formarea materiei intunecate.
Varsta universului
CMB a fost observat de multi cercetatori acum si cu multe misiuni de nave spatiale. Una dintre cele mai faimoase misiuni spatiale care a facut acest lucru a fost satelitul Cosmic Background Explorer (COBE) al NASA, care a cartografiat cerul in anii 1990.
Cateva alte misiuni au urmat pe urmele COBE, cum ar fi experimentul BOOMERANG (Balloon Observations of Millimetric Extragalactic Radiation and Geophysics), Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) de la NASA si satelitul Planck al Agentiei Spatiale Europene.
Observatiile lui Planck, lansate pentru prima data in 2013, au cartografiat CMB in detaliu fara precedent si au dezvaluit ca universul era mai vechi decat se credea anterior: 13,82 miliarde de ani, mai degraba decat 13,7 miliarde de ani. Misiunea observatorului de cercetare este in desfasurare si noi harti ale CMB sunt lansate periodic.
Totusi, hartile dau nastere la noi mistere, cum ar fi motivul pentru care emisfera sudica pare putin mai rosie (mai calda) decat emisfera nordica. Teoria Big Bang spune ca CMB-ul ar fi in mare parte acelasi, indiferent unde te uiti.
Examinarea CMB ofera, de asemenea, astronomilor indicii cu privire la compozitia universului. Cercetatorii cred ca cea mai mare parte a cosmosului este alcatuita din materie si energie care nu pot fi „simtite” cu instrumentele noastre conventionale, ceea ce duce la denumirea de „materie intunecata” si „energie intunecata”. Se crede ca doar 5% din univers este alcatuit din materie precum planete, stele si galaxii.
Ce sunt undele gravitationale?
In timp ce astronomii studiaza inceputurile universului prin masuri creative si simulari matematice, ei au cautat si dovezi ale inflatiei rapide ale acestuia. Ei au facut acest lucru observand undele gravitationale, minuscule perturbatii in spatiu-timp care se unduiesc in exterior de la mari perturbari, cum ar fi, de exemplu, doua gauri negre care se ciocnesc sau nasterea universului.
Potrivit teoriilor de varf, in prima secunda dupa nasterea universului, cosmosul nostru a explodat mai repede decat viteza luminii. (Apropo, asta nu incalca limita de viteza a lui Albert Einstein. El a spus odata ca viteza luminii este cea mai rapida care poate calatori in univers - dar aceasta afirmatie nu se aplica inflatiei universului in sine.)
Pe masura ce universul s-a extins, a creat CMB si un „zgomot de fundal” similar format din unde gravitationale care, ca si CMB, erau un fel de statice, detectabile din toate partile cerului. Acele unde gravitationale, conform LIGO Scientific Collaboration, au produs o polarizare teoretizata abia detectabila, dintre care un tip se numeste „moduri B”.
In 2014, astronomii au spus ca au gasit dovezi ale modurilor B folosind un telescop antarctic numit „Imagini de fundal a polarizarii extragalactice cosmice” sau BICEP2.

„Suntem foarte increzatori ca semnalul pe care il vedem este real si este pe cer”, a declarat cercetatorul principal John Kovac, de la Centrul Harvard-Smithsonian pentru Astrofizica, pentru Space.com in martie 2014.
Dar pana in iunie, aceeasi echipa a spus ca descoperirile lor ar fi putut fi modificate de praful galactic care le-a impiedicat campul vizual. Aceasta ipoteza a fost sustinuta de noi rezultate de la satelitul Planck.
Pana in ianuarie 2015, cercetatorii din ambele echipe care lucreaza impreuna „au confirmat ca semnalul Biceps a fost in mare parte, daca nu in totalitate, praf de stele”, a spus New York Times.
Cu toate acestea, de atunci, undele gravitationale nu numai ca au fost confirmate ca exista, ci au fost observate de mai multe ori.
Aceste unde, care nu sunt moduri B de la nasterea universului, ci mai degraba de la coliziuni mai recente ale gaurilor negre, au fost detectate de mai multe ori de Observatorul undelor gravitationale cu interferometru laser (LIGO), cu prima detectare a undelor gravitationale. care are loc in 2016.
O descoperire majora a undelor gravitationale a fost anuntata pe 28 iunie 2023, cand echipe de oameni de stiinta din intreaga lume au raportat descoperirea unui „zumzet joasa” a acestor ondulatii cosmice care curge prin Calea Lactee. In timp ce astronomii nu stiu definitiv ce cauzeaza zumzetul, semnalul detectat este „dovada convingatoare” si in concordanta cu asteptarile teoretice ale undelor gravitationale care apar din perechi copioase de „cele mai masive gauri negre din intregul univers” cantarind miliarde de sori, a spus Stephen Taylor, un astrofizician undelor gravitationale de la Universitatea Vanderbilt din Tennessee, care a coordonat cercetarea.
A fost Big Bang-ul o explozie?
Desi Big Bang-ul este adesea descris ca o „explozie”, aceasta este o imagine inselatoare. Intr-o explozie, fragmentele sunt aruncate dintr-un punct central intr-un spatiu preexistent. Daca ai fi in punctul central, ai vedea toate fragmentele indepartandu-se de tine cu aproximativ aceeasi viteza.
Dar Big Bang-ul nu a fost asa. A fost o expansiune a spatiului in sine – un concept care provine din ecuatiile relativitatii generale ale lui Einstein, dar nu are o contrapartida in fizica clasica a vietii de zi cu zi. Inseamna ca toate distantele din univers se intind in acelasi ritm. Orice doua galaxii separate de distanta X se retrag una de cealalta cu aceeasi viteza, in timp ce o galaxie la distanta 2X se retrage cu o viteza de doua ori mai mare.
Expansiunea universului
Universul nu numai ca se extinde, dar se extinde mai repede. Aceasta inseamna ca, cu timpul, nimeni nu va putea observa alte galaxii de pe Pamant sau din orice alt punct de vedere din galaxia noastra.
„Vom vedea galaxii indepartate indepartandu-se de noi, dar viteza lor creste cu timpul”, a spus astronomul de la Universitatea Harvard, Avi Loeb, intr-un articol Space.com din martie 2014.
„Deci, daca astepti suficient de mult, in cele din urma, o galaxie indepartata va atinge viteza luminii. Ceea ce inseamna ca nici macar lumina nu va fi capabila sa depaseasca diferenta care se deschide intre acea galaxie si noi. extraterestrii din galaxia respectiva sa comunice cu noi, sa trimita orice semnale care vor ajunge la noi, odata ce galaxia lor se misca mai repede decat lumina in raport cu noi.”
Unii fizicieni sugereaza, de asemenea, ca universul pe care il experimentam este doar unul dintre multe. In modelul „multivers”, universuri diferite ar coexista unele cu altele ca niste bule care se afla unul langa altul. Teoria sugereaza ca in acea prima mare impuls a inflatiei, diferite parti ale spatiu-timpului au crescut cu ritmuri diferite. Acest lucru ar fi putut taia diferite sectiuni - universuri diferite - cu legi potential diferite ale fizicii.
„Este greu sa construiesti modele de inflatie care sa nu conduca la un multivers”, a spus Alan Guth, un fizician teoretician la Institutul de Tehnologie din Massachusetts, in timpul unei conferinte de presa din martie 2014 cu privire la descoperirea undelor gravitationale. (Guth nu este afiliat cu acel studiu.)

„Nu este imposibil, asa ca cred ca mai sunt cu siguranta cercetari care trebuie facute. Dar majoritatea modelelor de inflatie conduc la un multivers, iar dovezile pentru inflatie ne vor impinge in directia de a lua in serios [ideea unui] multivers. ."
Desi putem intelege cum a aparut universul pe care il vedem, este posibil ca Big Bang-ul sa nu fi fost prima perioada inflationista pe care a experimentat-o universul. Unii oameni de stiinta cred ca traim intr-un cosmos care trece prin cicluri regulate de inflatie si deflatie si ca se intampla sa traim intr-una dintre aceste faze.
JWST si Big Bang
Un telescop este aproape ca o masina a timpului, permitandu-ne sa privim inapoi in trecutul indepartat. Cu ajutorul telescopului spatial Hubble, NASA ne-a aratat galaxiile asa cum erau cu multe miliarde de ani in urma - iar succesorul lui Hubble, telescopul spatial James Webb, are capacitatea de a privi si mai adanc in trecut.
NASA spera ca va vedea tot drumul inapoi pana cand s-au format primele galaxii, acum aproape 13,6 miliarde de ani. Si spre deosebire de Hubble, care vede in principal in banda de unda vizibila, JWST este un telescop in infrarosu - un mare avantaj atunci cand se priveste la galaxii foarte indepartate. Expansiunea universului inseamna ca undele emise de ele sunt intinse, astfel incat lumina care a fost emisa la lungimi de unda vizibile ajunge de fapt la noi in infrarosu.
Teoria Big Bang: a deveni un nume cunoscut
Numele „Big Bang Theory” a fost o modalitate populara de a vorbi despre acest concept in randul astrofizicienilor de zeci de ani, dar a ajuns in curent in 2007, cand o emisiune TV de comedie cu acelasi nume a avut premiera la CBS.
Desfasurata in 279 de episoade in 12 sezoane, emisiunea „The Big Bang Theory” a urmarit viata unui grup de oameni de stiinta, care includea fizicieni, astrofizicieni si ingineri aerospatiali. Spectacolul exploreaza prieteniile tocilar, romantele si certuri ale grupului. Primul sezon a avut premiera pe 24 septembrie 2007, iar spectacolul s-a incheiat oficial pe 16 mai 2019.
Desi spectacolul in sine nu s-a scufundat prea mult in stiinta actuala, showrunnerii l-au angajat pe astrofizicianul UCLA David Saltzberg ca consultant stiintific pentru intreaga durata a spectacolului, potrivit revistei Science. Consultantii stiintifici sunt adesea angajati pentru emisiuni si filme stiintifico-fantastice si legate de stiinta pentru a ajuta la mentinerea unor aspecte realiste.
Datorita lui Saltzberg, vocabularul personajelor a inclus o multime de jargon stiintific, iar tablele albe de pe fundalul laboratoarelor, birourilor si apartamentelor de-a lungul spectacolului au fost pline cu o varietate de ecuatii si informatii.
Pe parcursul emisiunii, a spus Saltzberg, acele table albe au devenit un spatiu ravnit, deoarece cercetatorii i-au trimis noi lucrari care sperau ca ar putea fi prezentate acolo. Intr-un episod, si-a amintit Saltzberg, noi dovezi ale undelor gravitationale au fost mazgalite pe o tabla care apartinea renumitului fizician Steven Hawking, care a aprobat si textul.
Spectacolul si-a luat unele libertati, deoarece era fictiv. Aceasta a inclus fabricarea unor noi concepte stiintifice si fictionalizarea politicii premiilor Nobel si a mediului academic, potrivit fizicianului Fermilab Don Lincoln.
In special, mai multe personaje din serie fac calatorii. Un episod vede personajele principale Leonard, Sheldon, Raj si Howard pornind intr-o expeditie de cercetare in Arctica - multe experimente de fizica sunt cel mai bine efectuate in mediile extreme ale polilor sau in apropierea acestora. Un altul l-a pus pe inginerul aerospatial Howard pe o nava spatiala rusa Soyuz si, mai tarziu, pe un model al Statiei Spatiale Internationale, impreuna cu astronautul Mike Massimino.