Ceea ce majoritatea oamenilor cred că știu despre Big Bang este greșit

Multe manuale și profesori de știință au încercat să descrie Big Bang-ul drept nașterea universului – un început exploziv care a avut loc într-un anumit punct, creând materie și aruncând-o în gol ca schijele dintr-o grenadă.

Dar Big Bang-ul nu este chiar momentul creației – mai degrabă ca urmare a acestuia. Big Bang-ul nu a apărut dintr-o anumită locație în spaţiuși nu a fost o explozie – cel puțin nu în sensul tradițional.

Cultura populară – și cosmologii, cu reține – au făcut greșeala nefericită de a adopta un nume pentru teoria care evocă chiar sunetul unei explozii de praf de pușcă. Aşa… se înconjoară?

„Se spune adesea că întregul univers pe care îl putem observa acum a fost odată comprimat într-un volum de mărimea unei mingi de golf”, a scris John Mather, un astrofizician laureat al Premiului Nobel și cercetător principal al proiectului pentru NASAlui Telescopul spațial James Webbîn un eseu pentru Theedge.org. „Dar ar trebui să ne imaginăm că mingea de golf este doar o mică bucată dintr-un univers care era infinit chiar și atunci.”

VEZI ȘI: Telescopul Webb găsește dovada primelor stele care au luminat universul

Când universul era încă la început, cu mai puțin de 1 miliard de ani, formarea stelară s-a hrănit cu hidrogen care a apărut din Big Bang. Credit: NASA / ESA / A. Schaller (pentru STScI) ilustrație

Teoria Big Bang descrie un eveniment când existent spațiul – mult mai fierbinte, mai dens și mai mic în acel moment – ​​a început brusc și rapid să se întindă. Universul primitiv era un gulaș arzător de particule minuscule, lumină și energie, dar pe măsură ce s-a extins, spațiul s-a răcit suficient pentru a permite procese importante să apară, cum ar fi formând atomi și elemente. Expansiunea continuă și astăzi.

Asta este. Nu sugerează care erau condițiile înainte de extindere. Nu presupune în ce se extinde universul. Nici măcar nu explică ce a cauzat expansiunea în primul rând. Și există motive pentru care încercarea de a imagina evenimentul ca o explozie poate duce la niște concluzii greșite.

„Niciun om de știință de renume nu va pretinde că înțelegem în detaliu ce s-a întâmplat în momentul exact când a început universul. Pur și simplu nu știm”, a spus Don Lincoln, om de știință senior la Fermilab din Illinois, în un videoclip. „În ciuda faptului că nu știm totul despre cum a început universul, sunt în mod constant uluit de faptul că știm atât de multe.”

Big Bang-ul se referă la vizibil univers

Pentru a înțelege Big Bang-ul – și comentariul anterior al lui Mather – este mai întâi important să clarificăm că această teorie se aplică universului vizibil, nu universului ca întreg. Universul vizibil este o bulă a cosmosului centrată pe perspectiva noastră de pe Pământ, cu o rază determinată de viteza luminii. Întreaga bula este de aproximativ 92 de miliarde ani-lumină larg.

Dimensiunea bulei nu este determinată de gama telescoapelor, ci de limitarea literală a luminii. Există o distanță maximă de la care fotonii ar fi putut călători la un observator în epoca universului. Această limită este cunoscută sub numele de orizont de lumină cosmică: Orice semnal potențial dincolo de ea nu a avut timp să ajungă la noi – și nu va ajunge niciodată, nici măcar în miliarde de ani în viitor. Asta pentru că la o anumită distanță extremă, obiectele îndepărtate se retrag mai repede decât viteza luminii.

Deci, ce este dincolo de această bulă? Nimeni nu știe pentru că este de nevăzut, dar oamenii de știință ar putea specula că există mai mult univers. La urma urmei, odată cu expansiunea spațiului, oamenii de știință sunt conștienți că, în fiecare secundă, mii de stele scapă din vedere, dincolo de acel orizont.

Unde s-a întâmplat exact Big Bang-ul?

Big Bang-ul ar trebui gândit ca un „punct” în timp, dar nu are loc într-un anumit loc. Astronomii vor spune adesea că Big Bang-ul a avut loc peste tot, ceea ce este o idee confuză dacă te-ai gândit la Big Bang ca la o bombă care detonează.

Imaginați-vă, în schimb, un scenariu ipotetic în care spațiul a fost condensat într-o pată, ca un balon de mărimea unui cap de ac. Apoi imaginați-vă că acest balon minuscul s-a umflat cumva până la dimensiunea unei portocale. În această analogie, puteți începe să înțelegeți de ce nu există niciun „punct de origine” pentru Big Bang: Nimic nu a lăsat capul de ac de unde a început; punctul capului de ac a devenit exponențial mai mare.

Acesta este unul dintre motivele pentru care mulți astrofizicieni spun că peste tot în universul cunoscut ar putea fi considerat parte a centrul Big Bang-ului. Conform teoriei, nu a existat niciun site anume din care biți să fi fost aruncați în aer.

Astronomul Edwin Hubble a folosit telescopul Hooker de 100 de inci din California pentru a observa că galaxiile se retrăgeau în spațiu în toate direcțiile. Credit: NASA / Edwin P. Hubble Papers / Biblioteca Huntington

Big Bang-ul nu a fost chiar o explozie

Observațiile științifice susțin ideea expansiunii universale rapide versus o explozie. Dacă ar fi existat o explozie de tip petardă care a împrăștiat materia spre exterior, de exemplu, legile fizicii ar dicta ca resturile mai departe de locul unde a explodat s-ar deplasa mai repede decât lucrurile mai aproape de acel punct de plecare.

“Asta pentru că obiectele aflate departe de petardă trebuie să se miște mai repede. Așa au ajuns departe”, a spus Lincoln.

Dar nu asta văd astronomii. În cosmos, spațiul dintre galaxii este în creștere, în toate direcții – nu doar în raport cu un punct central. Astronom Edwin Hubblepentru care Telescopul spațial Hubble a fost numit ulterior, a descoperit acest lucru în 1929.

Folosind telescopul Hooker de 100 de inchi din California, Hubble a observat că cu cât o galaxie era mai îndepărtată de Calea lacteegalaxia de origine a Pământului, cu atât părea să se retragă mai repede. El și-a dat seama de acest lucru reprezentând 24 de viteze și distanțe ale galaxiilor din apropiere. Complotul a arătat că totul mergea în derivă uniform, la viteze proporționale cu distanța, în toate direcțiile.

Rata de expansiune a fost numită Hubble Constant. La doi ani după observațiile lui Hubble, un astronom și preot belgian, Georges Lemaîtrea folosit această premisă pentru a publica prima teorie asemănătoare Big Bang-ului pentru a explica începuturile universului.

Cosmologii cred că universul s-a extins peste 13,8 miliarde de ani de la Big Bang. Credit: Britt Griswold (Maslow Media Group) / ilustrație NASA

Cum știu astronomii că universul se extinde

Odată cu descoperirea lui Hubble că spațiul în sine se extinde, oamenii de știință au reușit să estimeze vârsta universului. Formula pentru viteză – pe care s-ar putea să o fi învățat în liceu – este distanța împărțită la timp. Oamenii de știință cunosc deja vitezele galaxiilor și distanțele acestora, așa că își pot da seama de durata împărțind distanța la viteză.

Dacă oamenii de știință dau înapoi ceasul din ziua de azi până la momentul în care totul din universul cunoscut se mototolește înapoi în acel mic balon dezumflat, s-a întâmplat aproximativ acum 13,8 miliarde de ani.

Deci, dacă universul are 13,8 miliarde de ani, s-ar putea presupune în mod incorect că bula vizibilă a universului are o rază de 13,8 miliarde de ani lumină, cu o lățime totală de 27,6 miliarde de ani lumină. Dar universul nu stă nemișcat, iar distanța dintre obiecte nu este fixă. Expansiunea spațiului explică discrepanța dintre 27,6 miliarde de ani lumină și 92 miliarde de ani lumină, diametrul universului vizibil.

Oamenii de știință au infirmat Big Bang-ul?

Oamenii de știință nu au infirmat teoria Big Bang, dar au descoperit dezacorduri în rata de expansiune – Constanta Hubble – din măsurătorile diferitelor echipe de cercetare. Dezacordul este cunoscut sub numele de Tensiunea Hubble.

Pe scurt, măsurătorile vitezei bazate pe observațiile telescopului din universul actual sunt oarecum mai mari decât proiecțiile bazate pe condițiile cunoscute ale universului în timpul copilăriei sale. În ultimii ani, astronomii au considerat că ceva provoacă accelerarea ratei de expansiune. Studiile care utilizează telescopul Webb au descoperit că divergența mică, dar semnificativă a ratei de expansiune probabil nu este rezultatul unor calcule greșite ci un aspect al universului care nu este încă înțeles.

Pe măsură ce oamenii de știință lucrează pentru a rezolva acest mister, Big Bang-ul ar putea avea nevoie de unele modificări, dar până acum această disparitate nu a schimbat rezultatul, adică spațiul a fost cândva mai mic și mai fierbinte, apoi s-a întins brusc și încă se extinde.

Fizicienii americani Arno Penzias și Robert Wilson au descoperit neintenționat fundalul cosmic cu microunde, care umple universul vizibil. Credit: ESA / Planck Collaboration

Rata de expansiune a universului timpuriu

Cercetătorii au calculat rata de expansiune a universului bebelușului folosind date din așa-numitul Fundal Cosmic Microunde. Fizicienii americani Arno Penzias și Robert Wilson accidental a descoperit acest fenomeno strălucire slabă de la 380.000 de ani după Big Bang, folosind un radiotelescop în 1965.

Cam în același timp, o echipă separată de la Universitatea Princeton a prezis că astfel de valuri ar trebui să existe. Dacă astronomii ar fi arheologi, această descoperire ar fi asemănătoare cu descoperirea cea mai veche fosilă de lumină. Este cel mai vechi lucru din univers pe care l-a văzut cineva.

Această semnătură de căldură, care radiază de la atomii care se află acum la mai mult de 46 de miliarde de ani-lumină distanță și întinse în cuptorul cu microunde, umple cerul. Agenția Spațială Europeană Misiunea Planck a cartografiat cuptorul cu microunde pentru a măsura fluctuațiile mici ale temperaturii. Aceste mici variații permit oamenilor de știință să deducă rata de expansiune la momentul respectiv.

Cum se încadrează teoria „inflației cosmice” în Big Bang

Inflația cosmică încearcă să descrie o fază scurtă, dar crucială din narațiunea Big Bang, care a lansat universul pe cronologia sa de expansiune.

Alan Guth, un fizician teoretician la MIT, a prezentat ideea în 1980. Ea sugerează că o formă respingătoare de gravitație, ceva de genul energie întunecatăa condus expansiunea rapidă a universului pentru o clipă timpurie. Această fază ar fi durat pentru o fracțiune de trilionime de secundă. Apoi, energia care a propulsat inflația s-a oprit.

„De obicei descriu inflația ca pe o teorie a „bang”-ului Big Bang”, a spus Guth într-un Q&A din 2014 de către universitate. „În forma sa originală, teoria Big Bang-ului nu a fost niciodată o teorie a bang-ului. Nu spunea nimic despre ce a lovit, de ce a lovit sau ce s-a întâmplat înainte de a lovi”.

În timpul fazei de inflație, micul univers s-ar fi extins într-un ritm mai rapid decât lumina. Și obțineți asta: nu ar fi încălcat nicio lege a fizicii.

„Este adevărat că nimic nu se poate mișca prin spațiu mai repede decât lumina, dar nu există restricții cu privire la cât de repede se poate extinde spațiul”, a spus Lincoln.

Cum și-a primit numele „Big Bang”.

Fred Hoyleun astronom și cunoscut comunicator științific din Regatul Unit, este în mare măsură creditat cu inventarea „big bang-ului” în 1949. El a fost în multe privințe Neil deGrasse Tyson al timpului său. Dar astăzi mulți astrofizicieni și cosmologi deplâng faptul că denumirea greșită a rămas.

În timpul unei emisiuni BBC, Hoyle a descris teorii bazate pe ideea că „toată materia din univers a fost creată într-un big bang la un anumit moment din trecutul îndepărtat”, potrivit o transcriere publicat într-o revistă BBC. Mai târziu a menționat din nou fraza în cartea sa din 1950 „Natura Universului”.

Hoyle a refuzat ideea unei origini bruște a universului, dar nu a folosit cuvintele „big bang” în mod disprețuitor, potrivit un eseu recent despre asta în jurnal Natură. În schimb, el a vrut să transmită ipoteza cu metafore descriptive pentru a ajuta la transmiterea punctului prin radio.

Sunt inconjuratiîntr-adevăr.