Förstå Big-Bang-teorin

Big-bang-teorin är den dominerande teorin om universums ursprung. I själva verket säger denna teori att universum började från en initial punkt eller singularitet, som har expanderat under miljarder år för att bilda universum som vi nu känner till det.

1922 fann en rysk kosmolog och matematiker vid namn Alexander Friedman lösningarna på Albert Einstein's allmän relativitet fältekvationer resulterade i ett expanderande universum. Som troende i ett statiskt, evigt universum, lägger Einstein till en kosmologisk konstant i sina ekvationer, "korrigerade" för detta "fel" och eliminerade därmed expansionen. Han skulle senare kalla detta livs största fel.

Egentligen fanns det redan observationsbevis till stöd för ett expanderande universum. År 1912 observerade den amerikanska astronomen Vesto Slipher en spiralgalax - betraktad som en "spiralnebula" vid tiden då astronomer ännu inte visste att det fanns galaxer bortom Vintergatan—Och spelade in dess rödförskjutning

1924 astronom Edwin Hubble kunde mäta avståndet till dessa "nebula" och upptäckte att de var så långt borta att de inte faktiskt var en del av Vintergatan. Han hade upptäckt att Vintergatan bara var en av många galaxer och att dessa "nebuloser" faktiskt var galaxer i sig själva.

1927 beräknade den romersk-katolska präst och fysiker Georges Lemaitre oberoende Friedman-lösningen och föreslog igen att universum måste expanderas. Denna teori stöds av Hubble när han 1929 fann att det fanns en korrelation mellan galaxernas avstånd och mängden av rödförskjutning i den galaxens ljus. De avlägsna galaxerna rörde sig snabbare, vilket var exakt vad som förutses av Lemaitres lösningar.

1931 gick Lemaitre vidare med sina förutsägelser och extrapolerade bakåt i tiden och fann att universums materia skulle nå en oändlig densitet och temperatur vid en tidpunkt tidigare. Detta innebar att universum måste ha börjat i en otroligt liten, tät punkt av materia, kallad en "urskifte".

Det faktum att Lemaitre var en romersk-katolsk präst berörde några, eftersom han lägger fram en teori som presenterade ett bestämt ögonblick av "skapelse" för universum. På 1920- och 1930-talet var de flesta fysiker - som Einstein - benägna att tro att universum alltid hade existerat. I huvudsak sågs big-bang-teorin som för religiös av många människor.

Medan flera teorier presenterades för en tid, var det egentligen bara Fred Hoyle's stabilitetsteori som gav all verklig konkurrens om Lemaitres teori. Det var, ironiskt nog, Hoyle som myntade frasen "Big Bang" under en radiosändning på 1950-talet och avsåg det som ett hinder för Lemaitres teori.

Stabilitetsteorin förutspådde den nya materia skapades så att universumets täthet och temperatur förblev konstant över tiden, även medan universum expanderade. Hoyle förutspådde också att tätare element bildades av väte och helium genom processen med stellär nukleosyntes, vilket till skillnad från teorin med stabil tillstånd har visat sig vara korrekt.

George Gamow - en av Friedmans elever - var den stora förespråkaren för big-bang-teorin. Tillsammans med kollegorna Ralph Alpher och Robert Herman förutspådde han den kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB) strålning, som är strålning som borde finnas i hela universum som en rest av Big Smäll. När atomer började bildas under rekombinationstiden, de tillät mikrovågsstrålning (en form av ljus) att resa genom universum, och Gamow förutspådde att detta mikrovågsstrålning skulle fortfarande kunna observeras idag.

Debatten fortsatte tills 1965 när Arno Penzias och Robert Woodrow Wilson snubblat över CMB när de arbetade för Bell Phone Laboratories. Deras Dicke-radiometer, som används för radioastronomi och satellitkommunikation, tog upp en 3,5 K-temperatur (en nära match med Alpher och Hermans förutsägelse om 5 K).

Under slutet av 1960-talet och början av 1970-talet försökte vissa förespråkare för stabiliserad fysik förklara detta resultat medan de fortfarande var förnekande big-bang-teorin, men i slutet av decenniet var det tydligt att CMB-strålningen inte hade någon annan trolig förklaring. Penzias och Wilson fick Nobelpriset 1978 i fysik för denna upptäckt.

Vissa oro kvarstod emellertid när det gäller big-bang teorin. Ett av dessa var problemet med homogenitet. Forskare frågade: Varför ser universumet ut identiskt, energimässigt, oavsett vilken riktning man ser ut? Big-bang-teorin ger inte tidigt universum tid att nå termisk jämvikt, så det bör finnas skillnader i energi i hela universum.

1980 föreslog den amerikanska fysikern Alan Guth formellt inflationsteori för att lösa detta och andra problem. Denna teori säger att i de tidiga ögonblicken efter Big Bang fanns en extremt snabb expansion av det framväxande universum drivet av "vakuumenergi med negativt tryck" (som Maj vara på något sätt relaterad till aktuella teorier om mörk energi). Alternativt har inflationsteorier, liknande i koncept men med lite olika detaljer, lagt fram av andra under de senaste åren.

Programmet Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) av NASA, som inleddes 2001, har gett bevis som starkt stöder en inflationsperiod i det tidiga universum. Detta bevis är särskilt starkt i de treåriga uppgifterna som släpptes 2006, även om det fortfarande finns några mindre inkonsekvenser med teorin. Nobelpriset i fysik 2006 tilldelades John C. Mather och George Smoot, två nyckelpersoner i WMAP-projektet.

Även om Big Bang-teorin accepteras av de allra flesta fysiker, finns det fortfarande några mindre frågor som rör den. Viktigast är emellertid de frågor som teorin inte ens kan försöka besvara:

• Vad fanns före Big Bang?
• Vad orsakade Big Bang?
• Är vårt universum det enda?

Svaren på dessa frågor kan mycket väl existera utanför fysikens rike, men de är dock fascinerande och svar som multiverse hypotesen ger ett spännande område av spekulationer för både forskare och icke-forskare.

När Lemaitre ursprungligen föreslog sin observation om det tidiga universum, kallade han detta tidiga tillstånd av universum den ursprungliga atomen. År senare skulle George Gamow tillämpa namnet ylem för det. Det har också kallats den ursprungliga atomen eller till och med det kosmiska ägget.