Lielais sprādziens

Raksturojums

Daļa astronomu uzskata, ka Visums ir radies aptuveni pirms 13 miljardiem gadu milzīgā eksplozijā, ko sauc par Lielo sprādzienu. Visums ir radies ļoti īsā laika sprīdī, tik īsā, ka to nevar izmērīt. Neiedomājami mazā telpā bija ieslēgts milzīgs energijas daudzums; tad niecīgā sekundes daļā tas izpletās un radās Visums. Visums izauga no kniepadatas galviņas izmēriem līdz galaktiku lielumam. Visums arī pašlaik nepārtraukti izplešas. Enerģija pārveidojās atoma daļiņu enerģijā. Trijās minūtēs temperatūra pazeminājās no 10²⁸ °C līdz 1 miljonam jeb 10⁶ °C un turpināja pazemināties. Šajā laikā Visums sastāvēja no 77% ūdeņraža un 23% hēlija. Visi pārējie ķīmiskie elementi ir radušies no šiem diviem. Kad Visums bija aptuveni 300 000 gadu vecs, tas kļuva caurspīdīgs, taču līdz tam laikam Visums bija kā necaurredzama migla. Tā temperatūra pazeminājās līdz 3000 grādiem. Aptuveni miljards gadu pēc lielā sprādziena gravitācijas iedarbībā izveidojās ūdeņraža un hēlija mākoņi. Veidojās virpuļojošas gāzu lodes, radās pirmās zvaigznes un galaktikas.

Atklāšanas vēsture

Izplešanās teorija ir nobriedusi vairāku desmitu gadu laikā, un tās teorētiskos uzskatus veidojuši daudzi zinātnieki. Viens no tiem ir Alberts Einšteins. 1915. gadā viņš pamazām beidz izveidot savu relativitātes teoriju, kas daudzu iespaidīgu prognožu piepildīšanās dēļ viņš guva lielus panākumus. Tā atrisināja vairākas problēmas, turklāt panāca, ka teorija perfekti sasaucas ar novērojumiem. Tomēr relativitātes teorija satur lielus trūkumus. Ja tās vienādojumus piemēroja Visumam, atklājās, ka Visums nevar būt statisks, nemainīga sistēma, bet tam obligāti vai nu jāplešas lielumā jeb plašumā, vai jāraujas mazumā.
Tajā laikā ikviens izglītots cilvēks zināja, ka Visums ir mūžīgs un nemainīgs. Šādu apsvērumu vadīts, Einšteinam nācās ieviest kādu noteiktu lielumu, kas nosaka atgrūšanos. Tas tika nodēvēts par kosmoloģisko konstanti, un tās noteiktais atgrūšanas spēks bija tāds pats kā gravitācijas pievilkšanās spēku. Tādēļ Visums palika stabils, un relativitātes teorija ar to pašu saglabāja savas pievilcīgās īpašības. Tomēr Einšteins drīz vien nožēloja savu mazo triku. 1927. gadā beļģu priesteris un kosmologs Žoržs Lemetrs ierosināja visuma izplešanās teoriju un izskaitļoja tā izplešanās ātrumu. 1929. gadā amerikāņu astronoms Edvīns Habls atklāja, ka Visumā visas galaktikas attālinās cita no citas, kas nozīmē, ka Visums nav nemainīgs, un atgrūšanas spēks nemaz nav vajadzīgs.
Einšteins domāja, ka konstante ir viņa mūža lielākā kļūda. Ja viņš būtu vairāk ticējis savai relativitātes teorijai un mazāk tālaika astronomijai, Einšteins, iespējams, būtu varējis nākt klajā ar visu laiku iespaidīgāko atklājumu zinātnes vēsturē — ka Visums atrodas eksplozijas stāvoklī.

Mikroviļņu atklāšana

Laikā pēc 1929. gada, kad fiziķi pilnveidoja Lielā Sprādziena modeli, kļuva skaidrs, ka Visumam trūkst kāda noteikta starojuma. Katram priekšmetam ir savs siltuma spektrs, un, tā kā Lielais Sprādziens bija ārkārtīgi karsts tam vajadzētu aiz sevis atstāt šādu spektru.
Tikai 1965. gadā tika atklāts vājš mikroviļņu fona starojums — reliktstarojums, ko paveica Bella laboratorijas zinātnieki Arno Penziass un Roberts Vilsons, kuri nodarbojās ar jaunas antenas izstrādi, bet nevarēja tikt vaļā no neizskaidrojama trokšņa. Meklējot trokšņa avotu atklājās, ka to rada līdz šim nezināmu mikroviļņu fons. Par atklājumu zinātnieki saņēma Nobela prēmiju.
Atklājuma dēļ radās jauni jautājumi, jo reliktstarojuma temperatūra visur bija vienmērīga, tātad visiem Visuma apgabaliem ir gandrīz vienāda temperatūra, kaut arī tie nekad nav satikušies cits ar citu. Acīmredzot dažādi visuma objekti ir nākuši no vienas un tās pašas vietas un ceļojuma laikā ieguvuši vienādu siltuma daudzumu.
Mikroviļņu gadījumā priekšmeti nevar nākt no viena un tā pašas Visuma vietas. To izcelsmes vietas atrodas tik tālu cits no cita, ka nav iespējams gaismai pārvietoties pa visumu visā tā stāvēšanas laikā. Kosmologi to nosauca par horizonta problēmu, un tikai 20 gadu vēlāk to atrisināja izplešanās teorija.

Izplešanās teorija

1979. gadā jauns fiziķis Alans Gats no Masačūsetsas Tehnoloģiskā institūta centās atrisināt ar masu daļiņu saistītas neskaidrības, bet nonāca pie visuma rašanās teorijas.
Meklējot skaidrojumu daļiņu inercei (pat vakuumā priekšmetam piemīt inerce pret paātrinājumu, kas apliecina, ka ķermenim ir masa, un, jo lielāka inerce, jo lielāka masa), Gats pētīja t.s. Higsa lauku, kas savu nosaukumu ieguvis no fiziķa Pītera Higsa. Higsa lauks pārklājas visam izplatījumam pāri kā blīva substance, kas piešķir elementārdaļiņām pretestību pret paātrinājumu. Vienas daļiņas ir smagākas par citām un tādēļ ir vairāk pielipušas Higsa laukam.
Pagrieziena punkts pētījumos pienāca 1979. gada decembrī, kad Gats rēķināja Higsa lauka apstākļos, kas atbilda Lielā Sprādziena laika pastāvējušajiem. Lauks uzrādīja ļoti stipru atgrūšanas spēku, ja Higsa fizikas mācību attiecinās uz Visumu kopumā. Izrādījās, ka Higsa laukam piemīt ļoti liels atgrūšanas spēks, nepilnas 10⁻³⁵ sekundes laikā Visums ticis uzpūsts gandrīz 10¹⁰⁰ reižu lielāks. Šos milzīgos skaitļus ir ļoti grūti aprakstīt vārdiem gandrīz pat neiespējami. Atliek vien brīnīties, ka Visums nesasprāga mazos gabaliņos. Tomēr aprēķini rādija, ka eksplozija, lai cik strauja būdama, drīz vien bija galā, un daudzus turpmākos miljardus gadu Visums palika parastā gravitācijas pievilkšanas varā.
Spēku, kas izraisīja Lielo sprādzienu, tagad sauc par izplešanās lauku, un zinātnieki vairs nerunā par Lielo Sprādzienu vispārīgās frāzēs kā par eksploziju — izplešanās ļauj konkrēti aprakstīt sprādziena procesu.
Reliktstarojums kopā ar izplešanās teoriju ir devis mums zināmu arī Visuma vecumu un sastāvu. Tagad zinām, kad izveidojušās pirmās zvaigznes, kāpēc eksistē galaktikas un kāpēc laikam ir noteikts virziens. Šī teorija apgalvo, ka pēc Lielā Sprādziena Visums izpleties eksplozīvi un ka izplešanās radītais gigantiskais sprādziens licis Visumam vairākus simtus tūkstošus gadu šūpoties līdzīgi gigantiskam gongam. Mikroviļņu fonā šie skaņas viļņi ir iesaluši, un mūsdienu kosmologiem tas atver iespēju izpētīt paša Visuma pirmsākumus.

Visuma paātrināšanās

Izplešanās teorija atrisināja horizonta problēmu. Izplešanās bija Visuma ātruma milzīga paātrināšanās. Tas nozīmē gan to, ka līdz ar katru nākamo soli laikā uz priekšu ātrums strauji pieaug, gan to, ka ar katru soli atpakaļ laikā ātrums vienlīdz strauji samazinās. Ja izplešanās procesu apskata atpakaļvirzienā, top skaidrs — kādā laika sprīdī Visums ir izpleties tik lēnām, ka tā atsevišķās daļas atradušās cita citas gaismas horizontā, un tādējādi ir atrisināta arī horizonta problēma.
Klasisko teoriju augstais prestižs ir skaidrojams ar to, ka tās paredz novērojumu un eksperimentu rezultātus ar precizitāti līdz 10 cipariem aiz komata. Ilgu laiku valdīja šaubas, vai Gata teorija atbilst šim kritērijam. Zinātnes pasaulē skepse izzuda tikai pēc tam, kad noskaidrojās, ka izplešanās ir pārvērtusi Lielo Sprādzienu par sava veida ērģeļu stabuli ar virstoņiem un skaidri definētu pamattoni, kas bija nolasāms no mikroviļņu fona, reliktstarojuma attēliem.
Ērģeļu stabules rezonansi iespējams aprēķināt ļoti precīzi, ņemot vērā stabules garumu un skaņas ātrumu. Ja pēc tam rezonansi izmēra, realitāte sasaucas ar teoriju. Kvantu mehānika rāda, ka inflācijas laukā bijis papilnam svārstību un trokšņu visās frekvencēs. Lielā Sprādziena sākumelamentā — lode — troksnis palielinājies un sasniedzis skaņas viļņu apjomu. Tāpat kā ērģeļu stabulē, pāri atlikuši tikai rezonanses viļņi, un to frekvences ir atkarīgas no lodes apmēriem. Pēdējos 13,7 miljardos gadu Lielā Sprādziena skaņas nav gājušas mazumā — kosmiskajā mikroviļņu fonā tās ir iespējams izlasīt tā sīkas variācijas. Skaņas pārspiediena apgabali sablīvējoties uzsila, savukārt zemspiediena apgabali kļuva aukstāki. Inflācijas teorija ļoti precīzi paredz ikviena toņa frekvenci un augstumu, un kopš deviņdesmitajiem gadiem kosmologi lolo dedzīgu vēlēšanos to izmērīt praksē.
No 2009. līdz 2013. gadam Eiropas Kosmosa aģentūras (ESA) orbitālā observatorija Planck veica līdz šim visprecīzākos mikroviļņu fona mērījumus. Līdz tam precīzākie mērījumi bija iegūti ar NASA satelītu Wilkinson Microwove Anisotropy Probe (WMAP). 2006. gada 16. martā — pēc piecus gadus ilgiem pētījumiem — tas laida klajā pilnīgus datus par visa debesjuma skaņu spektru. Skaņas spektrs precīzi sakrita ar līkni. Lielā Sprādziena scenārijā, kurā izplešanās nav iekļauta, spektrs izskatītos pavisam citādi.
Pirms WMAP mērījumiem kosmologi lēsa Visuma vecumu robežās no 12 līdz 18 miljardiem gadu, taču tagad mēs zinām — Visums ir 13,6 līdz 13,8 miljardu gadu vecs.

Laika virziens

Gadsimtiem ilgi dabaszinātni ir nodarbinājis jautājums, kāpēc laikam ir viens virziens. Arī te ir nozīme izplešanās teorijai, kas sniedz trūkstošos atbildes posmu.
Visi eksaktie dabas likumi ir identiski neatkarīgi no tā, vai laiks virzās uz priekšu vai atpakaļ. Piemēram, Ņūtona likumus var izmantot, gan lai aprēķinātu planētu stāvokli pēc 100 gadiem, gan lai aprēķinātu, kur tās atradās pirms 100 gadiem, bet ne laika virzienu, ja reiz tas ir tikai viens.
19. gadsimtā austriešu fiziķis Ludvigs Bolcmanis bija pirmais, kurš atzina, ka šā fakta izskaidrojumā kāda loma varētu būt atomiem. Atomāra pasaule kļūst arvien haotiskāka, tāpēc laiku iespējams identificēt ar nekārtību, abus jēdzienus saaudzējot kopā. Situāciju var ilustrēt ar karstu picu, kas tiek izvilkta no cepeškrāsns. Aukstā virtuvē pica ir viskarstākais objekts, tāpēc tās atomi kustas visātrāk. Karstu un aukstu atomu nošķiršana ir nenoturīga kārtības pakāpe. Tā kā picas molekulas nepārtraukti saduras ar gaisa molekulām, to ātrums izmainīsies un kādā brīdī tām būs vienāda vidējā enerģija, kas reprezentē nekārtību. Princips, ka kopējais nekārtības daudzums pieaug, darbojas visu citu fizikālo procesu pamatā. Ja laiks ir nekārtība, tad vienlaikus pieaug arī laiks — tā ir vistīrākā varbūtības teorija.
Šī ideja ir saistīta ar lielu problēmu. Ja mēs sekojam laikam atpakaļvirzienā, Visums kļūst aizvien sakoptāks, jo vairāk tuvojamies Lielajam Sprādzienam. Tā kā šāda kārtība ir ļoti neticama, Visums būs uzsācis savu mūžu ārkārtīgi neticamā stāvoklī.
Atbildes sniedz izplešanās. Visumam palielinoties, tā masa un enerģija tiek viendabīgi izkliedēta visā izplatījumā. Variāciju daudzums bija tik tikko pietiekams, lai izveidotos galaktikas. Var, ka tas reprezentē augstu kārtības līmeni, taču lielā attālumā cita no citas galaktikas un zvaigznes mijiedarbojas tikai ar gravitācijas spēka palīdzību. Tā kā tas ir pievilkšanas spēks, tā varbūtīgā nekārtība nozīmē, ka viss ir savākts vienkopus, savukārt mazvarbūtīgā kārtība — ka masa ir viendabīgi izkliedēta. Izplešanās radīja visumu ar augstu kārtības pakāpi, un no šī stāvokļa laiks varēja sākt savu gaitu uz priekšu pretī lielākai nekārtībai.

Novērošanas iespējas

Visuma rašanos var konstatēt ne tikai speciālisti, kam pieejamas milzīgas observatorijas. Lai gūtu liecības par šiem tālajiem notikumiem, astronomijas amatierim pietiek ar parastu vecu, manuāli regulējamu televizoru. Kad tas ir noregulēts pa vidu starp diviem kanāliem, ekrānā parādās "sniegs". Aptuveni viens procents šī sniega satur mikroviļņus, kas ir Lielā Sprādziens efekts.