Förstå Big-Bang-teorin

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

Tidigare expanderande universumfynd

1922 fann en rysk kosmolog och matematiker vid namn Alexander Friedman att lösningar på Albert Einsteins allmänna relativitetsfältekvationer 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 - som betraktades som en "spiralnebula" vid tiden då astronomer ännu inte visste att det fanns galaxer bortom Vintergatan - och registrerade dess rödförskjutning, skiftet av en ljuskälleskift mot den röda änden av ljusspektrumet. Han observerade att alla sådana nebulosor reser bort från jorden. Dessa resultat var ganska kontroversiella vid den tiden och deras fulla konsekvenser beaktades inte.

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

Big Bangs födelse

År 1927 beräknade den romersk-katolska prästen och fysikern 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 rödförskjutning i 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 funnits. I huvudsak sågs big-bang-teorin som för religiös av många människor.

Big Bang vs. Steady State

Medan flera teorier presenterades för en tid, var det egentligen bara Fred Hoyles stabilitetsteori som gav någon verklig konkurrens om Lemaitres teori. Det var, ironiskt nog, Hoyle som myntade frasen "Big Bang" under en radiosändning på 1950-talet, med avsikt att den skulle vara ett hinder för Lemaitres teori.

Steady-state-teorin förutspådde att ny materia skapades så att universitetens densitet och temperatur förblev konstant över tiden, även medan universum expanderade. Hoyle förutspådde också att tätare element bildades av väte och helium genom processen med stjärnnukleosyntes, vilket, till skillnad från stabilitetsteorin, har visat sig vara korrekt.

George Gamow - en av Friedmans elever - var den stora förespråkaren för big-bang-teorin. Tillsammans med kollegerna Ralph Alpher och Robert Herman förutspådde han den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen (CMB), som är strålning som borde finnas i hela universum som en rest av Big Bang. När atomer började bildas under rekombinationstiden, tillät de mikrovågsstrålning (en form av ljus) att resa genom universum, och Gamow förutspådde att denna mikrovågsstrålning fortfarande kunde 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 temperatur på 3,5 K (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 stabil fysik att förklara detta fynd medan de fortfarande förnekade big-bang-teorin, men i slutet av decenniet var det tydligt att CMB-strålningen inte hade någon annan rimlig förklaring. Penzias och Wilson fick Nobelpriset 1978 i fysik för denna upptäckt.

Kosmisk inflation

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.

Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) -programmet 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 på WMAP-projektet.

Befintliga kontroverser

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

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

Andra namn för Big Bang

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.