Razumijevanje teorije velikog praska

Teorija velikog praska je dominantna teorija o podrijetlu svemira. U biti, ova teorija kaže da je svemir počeo od početne točke ili singularnosti, koja se proširila tijekom milijardi godina, formirajući svemir onakav kakav sada znamo.

1922. ruski kozmolog i matematičar po imenu Alexander Friedman pronašao je ta rješenja za Albert Einstein-ih opća relativnost jednadžbe polja rezultirale su svemirom koji se širi. Kao vjernik statičkog, vječnog svemira, Einstein je u svoje jednadžbe dodao kozmološku konstantu, "ispravljajući" ovu "pogrešku" i na taj način eliminirajući širenje. Kasnije bi to nazvao najvećom greškom u svom životu.

Zapravo su već postojali opažajni dokazi u prilog rastućem svemiru. 1912. američki astronom Vesto Slipher promatrao je spiralnu galaksiju - koja se u to vrijeme smatra "spiralnom maglom", jer astronomi još nisu znali da postoje galaksije izvan mliječna staza—I zabilježio je crveni pomak, pomak pomaka izvora svjetlosti prema crvenom kraju svjetlosnog spektra. Primijetio je da sve takve maglice putuju sa Zemlje. Ti su rezultati u to vrijeme bili prilično kontroverzni, a njihove pune posljedice nisu razmatrane.

1924. astronom Edwin Hubble uspio je izmjeriti udaljenost do ove „maglice“ i otkrio je da su toliko daleko da zapravo nisu dio Mliječnog puta. Otkrio je da je Mliječni put samo jedna od mnogih galaksija i da su te "maglice" same po sebi galaksije.

1927. rimokatolički svećenik i fizičar Georges Lemaitre neovisno je izračunao Friedmanovo rješenje i opet sugerirao da se svemir mora širiti. Tu je teoriju podržao Hubble kada je 1929. otkrio da postoji povezanost između udaljenosti galaksija i količine crveni pomak u toj svjetlosti galaksije. Daleke galaksije su se udaljavale brže, što je upravo ono što su predviđali Lemaitreova rješenja.

Godine 1931. Lemaitre je krenuo dalje sa svojim predviđanjima, ekstrapolirajući unatrag, otkrivši da će stvar u svemiru dostići beskonačnu gustoću i temperaturu u zadanom vremenu u prošlosti. To je značilo da je svemir morao započeti u nevjerojatno maloj, gustoj točki materije, koja se naziva "prvobitnim atomom".

Činjenica da je Lemaitre rimokatolički svećenik zabrinjavala je neke, budući da je iznio teoriju koja je svemiru predstavila određeni trenutak "stvaranja". U 1920-ima i 1930-ima većina fizičara - poput Einsteina - bila je sklona vjerovati da svemir uvijek postoji. U biti, teorija velikog praska mnogi su smatrali previše religioznom.

Iako je neko vrijeme bilo predstavljeno nekoliko teorija, to je bila samo Fredova Hoylea teorija stabilnog stanja što je osiguralo bilo kakvu stvarnu konkurenciju Lemaitreovoj teoriji. Ironično je da je Hoyle skovao frazu "Veliki prasak" tijekom radijskog prijenosa 1950-ih, namjeravajući ga ismijavajućim izrazom za Lemaitreovu teoriju.

Teorija ustaljenog stanja predviđala je to novo stvar stvorena je takva da su gustoća i temperatura svemira tijekom vremena ostale stalne, čak i dok se svemir širi. Hoyle je također predvidio da će se vodičkim i helijskim procesima formirati gušći elementi zvjezdana nukleosinteza, što se za razliku od teorije ustaljenog stanja pokazalo točnim.

George Gamow - jedan od Friedmanovih učenika - bio je glavni zagovornik teorije velikog praska. Zajedno s kolegama Ralphom Alpherom i Robertom Hermanom predvidio je kozmičku pozadinu mikrovalne (CMB) zračenje, to je zračenje koje bi trebalo postojati u svemiru kao ostatak Velikog Prasak. Kako su se atomi počeli formirati tijekom razdoblje rekombinacije, dopustili su mikrovalnom zračenju (oblik svjetlosti) da putuje kroz svemir, a Gamow je predvidio da će to mikrovalno zračenje bila bi i danas vidljiva.

Rasprava se nastavila do 1965. kada su Arno Penzias i Robert Woodrow Wilson naišli na CMB dok su radili u Bell Telephone Laboratories. Njihov Dicke radiometar, koji se koristio za radio astronomiju i satelitsku komunikaciju, pokupio je temperaturu od 3,5 K (što je u skladu s predviđanjem Alphera i Hermana od 5 K).

Tijekom kasnih 1960-ih i ranih 1970-ih neki zagovornici fizike ustaljenog stanja pokušavali su objasniti taj nalaz dok su još bili negirajući teoriju velikog praska, ali do kraja desetljeća bilo je jasno da CMB zračenje nema druge vjerojatne obrazloženje. Penzias i Wilson dobili su 1978. Nobelovu nagradu za fiziku za ovo otkriće.

Međutim, ostala je zabrinutost u vezi s teorijom velikog praska. Jedan od takvih bio je problem homogenosti. Znanstvenici su pitali: Zašto svemir izgleda identično, u pogledu energije, bez obzira u kojem smjeru izgleda? Teorija velikog praska ne daje vremenu ranom svemiru da dosegne toplinska ravnoteža, tako da bi u cijelom svemiru morale postojati razlike u energiji.

1980. godine američki fizičar Alan Guth službeno je predložio teorija inflacije riješiti ovaj i druge probleme. Ova teorija kaže da je u ranim trenucima nakon Velikog praska došlo do izrazito brzog širenja urođenog svemira potaknutog vakuum energijom negativnog pritiska (koja svibanj biti na neki način povezan s trenutnim teorijama tamna energija). Alternativno, inflatorne teorije, slične u konceptu, ali s nešto drugačijim detaljima, iznijeli su i drugi godinama.

NASA-in program koji je započeo 2001. godine Wilkinson mikrovalna anisotropijska sonda (WMAP) pružio je dokaze koji snažno podržavaju razdoblje inflacije u ranom svemiru. Ovaj je dokaz posebno jak u trogodišnjim podacima objavljenim 2006. godine, iako još postoje neke manje nedosljednosti s teorijom. Nobelovu nagradu za fiziku za 2006. godinu dobio je John C. Mather i George Smoot, dva ključna radnika na WMAP projektu.

Dok teorija Velikog praska prihvaća ogromna većina fizičara, postoje još neka sitna pitanja u vezi s tim. Najvažnije su, međutim, pitanja na koja teorija ne može ni pokušati odgovoriti:

• Što je postojalo prije Velikog praska?
• Što je uzrokovalo Veliki prasak?
• Je li naš svemir jedini?

Odgovori na ta pitanja možda i postoje izvan okvira fizike, ali su svejedno fascinantni i odgovori poput Multiverzuma hipoteza pruža zanimljivo područje spekulacija i za znanstvenike i za ne-znanstvenike.

Kad je Lemaitre izvorno predložio svoje promatranje ranog svemira, nazvao je ovo rano stanje svemira prvobitnim atomom. Godinama kasnije, George Gamow bi za to primijenio ime ylem. Nazvan je i primordijalnim atomom ili čak kozmičkim jajetom.