Големият взрив

Теорията за Големия взрив



Теорията за големия взрив днес се приема като най-вероятното обяснение за произхода на Вселената. Според тази теория в началото Вселената е била изключително сгъстена, плътна и гореща. След това, преди 10 до 20 милиарда години, става космическа експлозия, наречена "Големия взврив". След този взрив Вселената продължава да се разширява и охлажда. Теорията се базира на математически равенства, известни като полеви равенства от основната теория на относителността от 1915 година ( на Алберт Айнщайн ). През 1922 руският физик Александър Фрийдмън усигурява решения на част от уравненията. Тези решения служат като рамка за повечето теоретични разработки върху теорията за Големия взрив. Американския астроном Едвин Хабъл принася много за развитието на теорията с откритието, което прави през 1929 година, а именно, че светлината от далечни галактики се променя към червения край на светлинния спектър. Това доказва, че галактиките се раздалечават една от друга. Той открива, че най-далечните галактики се движат с по-голяма скорост, което показва, че Вселената се разширява постоянно. Въпреки това първоначалното състояние на Вселената още не било известно. През 40-те години на миналия век американския физик от руски произход Георги Гамов разработва теория, пасваща на решнията на Фрийдмън, според които Вселената е започнала да се разширява от плътно и горещо състояние.



История

Рамката, цялостния облик на теорията за Големия взрив, се очертава от решенията на Айнщайновите полеви уравнения. Тя остава непроменена до днес, макар че и в момента се работи по някои детайли. Самият Айнщайн вярвал, че Вселената е неподвижна. Когато се оказва, че неговите уравнения доказват, че Вселената се движи, Айнщайн добавя константа, която да промени уравненията така, че Вселената да не е подвижна. Когато по-късно е открито и доказано, че Вселената се разширява, Айнщайн казва, че въвеждането на "космическа константа" е било грешка. След разработките на Айнщайн през 1917г., няколко учени, сред които Джордж Лемаотър от Берлин, Вилем де Ситър от Холандия и Александър Фрийдмън от Русия, успяват да намерят решенията на уравненията на Айнщайн. Вселената, описана от различните решения, се оказвала различна. Според модела на де Ситър се оказал, че във Вселената не съществува материя. Този модел всъщност не е толкова лош, ако средната плътност на Вселената е изключително ниска. Според втория учен, Лемаотър, Вселената е започнала да се разширява от един единствен първичен атом. Вселената на Фрийдмън също се разширявала от много плътна материя, но не включвала космическата константа. Тези три модела обяснявали каква е била Вселената скоро след нейното създаване, не не давали обяснение за това как точно е създадена тя.

През 40-те години на миналия век Георги Гамов и неговите студенти Ралф Алфър и Робърт Хърмън започват работа по детайлите на Фрийдмановото решение на теорията на Айнщайн. Те развили идеията на Гамов, според която Вселената е започнала да се разширява от първоначално състояние на материята, наречено илем, което е съставено от протони, неутрони и електрони в море от радиация. Те решават, че Вселената е била изключително гореща по времето на Големия взрив, тъй като елементите по-тежки от водорода могат да се формират само при много високи температури. Алфър и Хърмън стигнали до извода, че радиацията от Големия взрив все още съществува. Космически радиационен фон, отговарящ на теорията на Гамов и екипа му, бил открит през 1960 година. Това доказвало теорията на Гамов, Алфър и Хърмън, но тя била забравена.



Теорията за Големия взрив

Целта на теорията е да обясни какво е станало веднага след създаването на Вселената. Учените днес могат да започнат историята на Вселената само 10 на степен -43 секунди след началото на Вселената. За времето преди този момент класическата теория за гравитацията не е валидна. Учените се опитват да намерят теория, която да включва квантова механика и гравитация, но все още нямат успех. Въпреки това много от тях се надяват тази теория да бъде разработена скоро и да помогне на науката да достигне още по-назад във времето.

Истинският Голям взрив е скрит за учените, заради невъзможността със сегашните научни методи да се изследва времето на Големия взрив. За момента не е измислен начин да се определи произхода на Вселената. Освен това теорията за Големия взрив не може да обясни събитията преди взрива, т. е. никой не може да каже съществувало ли е нещо преди това, и ако да, то какво точно. Самото време може да води началото си от Големия взрив, така че да се говори за това какво е имало преди него може само по себе си да е грешка.

Според теорията за Големия взрив, Вселената се е разширила изключително бързо през първите микросекунди от съществуването й. В началото във Вселената съществува само една сила, каято при разширяването и охлаждането й се е разделила на силите, които познаваме днес: гравитация, електромагнетизъм, силната ядрена енергия ( енергията, която се получава при ядрен взрив . Такава енергия подхранва нашето слънце ) и слабата ядрена енергия ( енергията, която се получава при радиоактивен разпад ). Вече е разработена теория, която дава общо обаснение на електромагнетизма и слабите ядрени сили. Днес физиците търсят начин да обединят в една теория горепосочените две сили и силните ядрени сили. Още по-далечна цел е намирането на обща теория за тези три сили и силата на гравитацията.

Една широко разпространена версия на теорията за Големия взрив включва идеята за увеличението на Вселената. Според този модел Вселената се е разширила доста по-бързо в началото, около 10 на степен 50 пъти се е увеличил размерът й през през първата 10 на степен -32 част от секундата. Тази теория е развита през осемдесетте години на миналия век от американския космолог Алън Гът. Тя противоречи на теорията на американския астроном Пол Щайнхарт, американският учен от руски произход Андрей Линд и британския астроном Андреас Албрехт. Теорията за увеличението на Вселената рещава много от проблемите на космологията. Тя показва, че Вселената е по-близо до плоското пространство, описано от законите на Евклидовата геометрия. Ние виждаме само малка част от нашата Вселена, така както виждаме малка част от повърхността на Земята. Решава се и въпросът защо Вселената изглежда толкова хомогенна. Ако Вселената, която виждаме е възникнала от един малък, първоначален регион, не е чудно, че изглежда еднаква.

След като свършва разширяването на Вселената в нейния първи стадий на развитие, тя продължава да се разширява, но по-бавно. Според теорията на Алан Гът Вселената е по-средата между състоянията на отвореност и затвореност. Ако Вселената се отворена, тя ще продължи да се разширява вечно, въпреки че скаростта на разширяване непрекъснато ще намалява. Ако се затваря, разширенито й ще спре и ще започне свиването й, в следствие на което тя ще се разруши. Дали Вселената се отваря или затваря зависи от концентрацията на маса ( плътността ) й.

Вселената изстивала докато се е разширявала. Една секунда след Големия взрив се формирали първите протони. През следващите няколко минути, често наричани "първите три минути", комбинация от протони и неутрони формирали деутерия ( изотоп на водорода ), както и няколко други леки елементи, предимно хелий, а също и литий, берилий и бор. Изучаването на получаването на деутерий, хелий и други леки елементи е една от главните цели на съвременната наука. Разпространението на хелий в цялата Вселена подкрепя теорията за Големия взрив. Концентрацията на хелий се използва при определяне на плътността на Вселената.

Между 300.000 и 1 милион години след създаването й, Вселената се охлажда, докато достига температура от 3000°C и протоните и електроните се комбинират, за да образуват атоми водород. Водородните атоми могат да абсорбират и предават само точно определени цветове, т. е. цветове със специфична дължина на вълната. При образуването на тези атоми се отделя радиация, която все още засичаме. След милиарди години изстиване този радиационен фон е около 3°K или 270°C. Космическия радиационен фон е засечен за първи път през 1965 година от американските астрофизици Арно Пенциас и Робърт Уйлсън. По-късни изследвания показват, че интензитета на радиационния фон отговаря на материя, която отделя радиация заради своята температура. Те също показват, че космическия радиационен фон не е еднакъв. Смята се, че на местата, където този фон е бил различен от константата, са се формирали галактиките.



Тъмната материя

Различни факти свидетелстват, че материята, която учените могат да наблюдават, е само малка част от цялата материя, която съществува. Наблюденията върху скоростта, с която отделните галактики се движат в групите галактики показва, че трябва да има огромно количество материя, упражняваща гравитационни сили, които запазват целостта на тези галактически купове. Днес космолозите смятат, че по-голямата част от Вселената, може би 99%, е съставена от т. нар. "тъмна материя", т. е. материя, която притежава гравитация, но не може да бъде видяна или засечена по някакъв начин. Теоретично съществуват няколко вида "тъмна материя". Съществува студена тъмна материя, съставена от бавно движещи се, тежки, студени частици. Такива частици все още не са засечени. Друг вид "тъмна материя може да бъдат звезди или планети, неизлъчващи радиация. Друг модел включва топла "тъмна материя", чийто частици се движат много бързо. Фундаменталните частици, наречени неутрони са пример за топла "тъмна материя".

Ако версията за Големия взрив, включваща увеличението на Вселената е вярна, то количеството "тъмна материя", съществуващо във Вселената, е точно толкова, че да я докара до състояние точно между отворено и затворено.

Учените разработват теоретични модели, за да покажат как структурите във Вселената, например галактиките, са се формирали. Техните модели включват топла "тъмна материя", студена "тъмна материя", или и двете. Тази невидима материя осигуриява гравитационните сили, необходими за запазването на целостта на големи космически структури като галактическите купове. Астрономите продължават да правят исзледвания в областта на теорията за Големия взрив. Не са открити никакви сериозни проблеми с теорията. Някои детайли все още се уточняват.



Заключение

Въпреки всичко, написано за теорията за Големия взрив, тя си остава само теория. Не се знае дали изобщо е имало такъв "голям взрив". Може Вселената да е безкрайна във времето и пространството. Може просто съществува, без начало и без край.