Powstanie wszechświata

Pod pojęciem „Wszechświat” możemy rozumieć czasoprzestrzeń która w swoim składzie posiada wszystkie obiekty materialne, prawa fizyki oraz energię możliwą do zaobserwowania za pomocą np. teleskopów. Powstanie wszechświata szacuje się na około piętnaście miliardów lat temu. Uważa się że na samym początku istniała bardzo mała ale wyjątkowo gorąca i gęsta kula. Jej rozmiary były mniejsze niż wielkość atomu. Nagle zaczęła ona pęcznieć by w efekcie zrodzić największy twór jaki kiedykolwiek istniał. Bardzo silne oddziaływania natury elektromagnetycznej i jądrowej zaczęły się dzielić, w wyniku których wytworzona została ilość energii wystarczająca do zapoczątkowania poszerzania się Wszechświata w notacji wykładniczej.

Wielki Wybuch

Wielki Wybuch rozpoczęło gromadzenie się materii pod postacią izotopów protonu i deuteru. Ich przyciąganie spowodowało powstanie chmur wodoru które przez swą ciężką masę zapadły się. Wyzwoliło to wysoką temperaturę i ciśnienie co w konsekwencji prowadzi do syntezy innych atomów. W ten sposób powstał np. hel. Ogromna energia powoduje powstanie z gazowej kuli gwiazdy. Mimo wyczerpania wodoru i zgaśnięcia ognie proces kurczenia rozpoczął się od nowa osiągając temperaturę 50 000 000 stopni Kelwina. Spalenie helu wpływa na syntezę berylu i węgla a ich późniejszy rozpad uwalnia tlen.

Po wyczerpaniu się helu, gwiazda znów się kurczy i wyzwala się jeszcze wyższą temperaturę osiągająca wartość nawet 100 000 000 stopni Kelwina. Powstają takie pierwiastki jak neon, sód, magnez, glin, siarka oraz wapń. Temperatura znowu wzrasta do 500 000 000 stopni Kelwina.

Gdy masa gwiazdy była dostatecznie duża jej centrum zapadło się, a reszta zostaje wyrzucona w kosmos w potężnym wybuchu tzw. gwiazdy supernowej. Pierwiastki po wyrzuceniu łączą się z obłokami wodorowego pyłu i dają początek nowym gwiazdom i planetom. 8 miliardów lat temu powstało Słońce i planety Układu Słonecznego. Przez okres około miliarda lat skorupa ziemska stygnie, a wybuchające wulkany wypluwają z wnętrza Ziemi olbrzymie ilości gazów: cyjanowodoru, siarkowodoru, wodoru, węgla, amoniaku, tlenu i metanu czy pary wodnej. Gazy te z wyjątkiem tlenu tworzą pierwotną atmosferę Ziemi. Niskie temperatury w zewnętrznych warstwach atmosfery były przyczynkiem skraplania się pary wodnej, która opadając w postaci nieustannej ulewy na rozgrzaną powierzchnię planety, paruje i przyspiesza stygnięcie skorupy ziemskiej. W końcowym etapie „Big Bang-u” temperatura powierzchni spada poniżej 373 stopni Kelwina i większość pary wodnej skrapla się tworząc hydrosferę, czyli pierwsze oceany.

Obecnie uważa się, że teoria Wielkiego Wybuchu jest jednym z nielicznych sensownych prób wyjaśnienia przyczyny powstania wszechświata. Wiadomo już, że jego początkowa gęstość i temperatura były niewyobrażalnie wysokie. Bezpośrednią konsekwencją wybuchu było wytworzenie się promieniowania a więc i różnorodnych cząstek elementarnych. W dniach dzisiejszych nadal możemy stwierdzić obecność tego rodzaju promieniowania, zwanego promieniowaniem mikrofalowym tła.

Czynniki przemawiające za słusznością Teorii Wielkiego Wybuchu

Najbardziej prawdopodobnym argumentem uzasadniającym słuszność tej teorii, jest właśnie mikrofalowe promieniowanie tła. To niezwykle słabe promieniowanie przyczyniło się do potwierdzenia ekspansji Wszechświata, którą uznał Eddwin Hubble. Był on amerykańskim astronomem, który stworzył znany powszechnie teleskop Hubble’a. W 1929 roku odkrył i obliczył wraz z Miltonem Humasonem zależność między odległością dzielącą galaktyki a prędkością, z jaką się od siebie oddalają. Zależność tą określamy mianem Prawa Hubble'a. Idea oddalania się od siebie galaktyk doprowadziła w konsekwencji do powstania koncepcji rozszerzania się Wszechświata.

Nieco później kolejny amerykański uczony, George Gamow ustalił, że skoro miał miejsce początek Wszechświata, to jest to jednoznaczne z powstaniem po nim promieniowania. Na początku o niezwykle wysokiej temperaturze, jednak ze względu na ciągłą ekspansję, temperatura ta zmalała do wartości odnotowanej w naszych czasach.

Ciekawych dowodów na istnienie tej teorii mogą dostarczyć również prace badawcze na temat odległych galaktyk. Światło pędzi ze stałą prędkością 300 000 km/s, więc ustalono specjalną miarę odległości jaką są lata świetlne. Jest to odległość, jaką pokonuje światło w przeciągu jednego roku. Jeżeli więc jakaś galaktyka oddalona jest od naszej o np. 13 miliardów lat świetlnych, to ich obraz ukazuje stan z przed 13 miliardów lat (czyli około 2 miliardów lat po Wielkim Wybuchu). A ponieważ ich gęstość jest większa niż tych bliżej umieszczonych galaktyk, można przypuszczać, że Wszechświat miał kiedyś większą gęstość, a co za tym idzie, był mniejszy.

Model Gorącego Wielkiego Wybuchu

Wszechświat w chwili narodzin przy ogromnej temperaturze 1032 kelwinów był hiperprzestrzennym, dziesięciowymiarowym tworem, w którym zjednoczyły się wszystkie siły oddziaływania. Te wnioski można wysunąć zgodnie z modelem Gorącego Wielkiego Wybuchu, opracowanym jeszcze w 1948 r. przez George'a Gamowa i jego studenta Ralpha Alphera. Świat ten jednak charakteryzował się dużą niestabilnością, tak więc po 10-43 sekundy rozpadł się na cztero- i sześciowymiarowy. Ten sześciowymiarowy zapadł się do rozmiaru 10-32 centymetra, a czterowymiarowy zaczął się gwałtownie rozszerzać. Po 10-35 sekundy silne oddziaływania oddaliły się od elektrosłabych, a niewielki fragment większego wszechświata rozszerzył się 1050 razy, stając się ostatecznie naszym widzialnym dzisiaj Wszechświatem. Te gwałtowne rozszerzenie opisane jest przez teorię inflacji kosmologicznej. Po upływie dalszego ułamka sekundy oddziaływania elektrosłabe rozpadły się na elektromagnetyczne i słabe, a następnie, gdy temperatura spadła już do 1014 kelwinów, kwarki zaczęły się łączyć w protony i neutrony.

Przeciwnicy Teorii Wielkiego Wybuchu

Elektryczny model kosmosu często określany jest mianem plazmo-kosmologii. Został on zaproponowany przez Ralpha Juergensa w ramach koncepcji związanych z elektrycznym Słońcem i rozwijany jest obecnie m.in. przez pracującego w Niemczech węgierskiego fizyka László Körtvélyessya, australijskiego fizyka Wallace Thornhilla, Dona Scotta, Anthony'ego Peratta i Erica Lernera. Na początku lat pięćdziesiątych, Fermi i Chandrasekhar wysunęli przypuszczenie, o zakrzywieniu ramion galaktyk spiralnych wskutek działania pola magnetycznego. W latach sześćdziesiątych Hannes Alfven postawił tezę, że zjawiska elektromagnetyczne są podstawowym mechanizmem procesów fizycznych. Odgrywają one przy tym większą rolę niż grawitacja. Obecnie model plazmo-kosmologii zakłada, że cały Wszechświat wypełniony jest przez strumienie energii, które w postaci prądu elektrycznego przenoszone są w strumieniach plazmy.

Teoria stanu stacjonarnego została stworzona w 1948 roku przez Freda Hoyle'a, Thomasa Golda oraz Hermanna Bondiego jako alternatywa dla teorii Wielkiego Wybuchu. Teoria stanu stacjonarnego miała wielu zwolenników w środowisku naukowym w latach 50. oraz częściowo 60. XX wieku. Wtedy jednak powoli zaczęto ją podważać.

Początek teorii stanu stacjonarnego dały obliczenia, z których wynikało, iż w ramach ogólnej teorii względności oraz w świetle dokonanych przez Edwina Hubble'a obserwacji ujawniających rozszerzanie się wszechświata, nie może on być statyczny. Wszechświat stacjonarny, ekspandując, pozostawałby zasadniczo niezmieniony w czasie i aby ten warunek został spełniony, musiałaby powstawać nowa materia, dzięki której gęstość wszechświata utrzymywałaby się na stałym poziomie, mimo procesu rozszerzania się.

Brak możliwości bezpośredniego zaobserwowania tworzenia nowej materii nie stanowiła większego problemu teorii stanu stacjonarnego, gdyż zgodnie z jej założeniem, powstanie w Drodze Mlecznej zaledwie kilkuset atomów wodoru w ciągu roku wystarczyłoby do zrekompensowania ekspansji wszechświata. Pomimo naruszenia prawa zachowania masy, teoria miała kilka zalet, z których największą było uzasadnienie problemu początku universum.

Mity o powstaniu Wszechświata

Przez wieki wiele kultur usiłowało odpowiedzieć sobie na pytanie co było początkiem wszechświata i jak on właściwie powstał. Przypuszczenia starożytnych możemy podzielić na kilka kategorii. Pierwsza odnosi się do mitów, które zakładają że wszechświat wykluł się z jaja. Motyw ten po raz pierwszy pojawia się w fińskim Kalevala. Poemat ten obejmuje okres od stworzenia świata do średniowiecza i składa się z różnych wątków, dziejących się w świecie baśniowym i realnym, opisujących życie i czyny bohaterów oraz walkę dwóch wrogich plemion o Sampo, czyli mityczny młynek szczęścia. Niektóre rozdziały opisują zwyczaje obrzędowe oraz pieśni, czary i zaklęcia z czasów pogańskich. Do tej kategorii mitów zaliczamy również chińską historię o Panu Gu czy hinduską Brahmand Purana.

Druga grupa to mity, które uważają że wszechświat jest samostwarzającym się bóstwem, jego emanacją bądź fragmentem. Ten motyw przewija się w buddyjskiej koncepcji Adi-budda, w starogreckiej Gaji, azteckiej Coatlicue i staroegipskim Atum. Kolejną grupę mitów tworzą opowieści o tym, że wszechświat jest tworem powstałym z ciała martwego bóstwa np. Tiamat. W mitologii sumeryjskiej uważana była za bogini matkę. Jest to personifikacja słonych wód oceanu, które należały do pierwszego pokolenia bóstw. Apsu, czyli partner Tiamat kojarzony był natomiast z wodami słodkimi. Tiamat była matką młodszej generacji bogów, została jednak zabita przez Marduka, który z jej przepołowionego ciała utworzył Ziemię i sklepienie nieba. Z jej głowy i piersi zostały stworzone góry, natomiast z jej oczu wypłynęły rzeki Tygrys i Eufrat. Jej walka z Mardukiem została opisana w eposie o stworzeniu świata nazwanym Enuma Elisz.

Do ostatniej grupy mitów zaliczamy np. biblijne stworzenie świata JHWH, czyli wszechświat został powołany z woli pewnej jednostki. Istnieją również założenia, że istnienie wszechświata wynika z konsekwencji fundamentalnych praw jak np. w hinduskiej koncepcji Brahman czy yin i yang w Tao.

Bibliografia:

1. Vademecum Matura 2009 Operon,  Stasiak Janusz, Zaniewicz Zbigniew
2. http://pl.wikipedia.org/wiki/Wszech%C5%9Bwiat
3. http://pl.wikipedia.org/wiki/Wielki_Wybuch
4. http://www.bryk.pl/teksty/liceum/fizyka/wszech%C5%9Bwiat_i_cia%C5%82a_niebieskie/15613-wielki_wybuch_czyli_powstanie_wszech%C5%9Bwiata.html
5. http://www.bryk.pl/teksty/liceum/fizyka/wszech%C5%9Bwiat_i_cia%C5%82a_niebieskie/15613-wielki_wybuch_czyli_powstanie_wszech%C5%9Bwiata.html
6. http://www.sciaga.pl/tekst/57455-58-wszechswiat_powstanie_i_budowa
7. http://wapedia.mobi/pl/Wszech%C5%9Bwiat
8. http://wapedia.mobi/pl/Wszech%C5%9Bwiat?t=4.
9. http://www.astronomia.biz.pl/czarnedziury.html

Autor: Karolina Kreczmańska