Big Bang

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La frase ' Big Bang 'riassume gli elementi scientifici più ampiamente accettati teoria di come il noto universo sviluppato nel suo stato attuale. L'evidenza suggerisce che un periodo di espansione è iniziato circa 13,8 miliardi (± 200 milioni) anni fa e lo è ha continuato da allora. La vera causa di inflazione non è stato completamente determinato, sebbene il modello di base faccia alcune previsioni che sono state confermate.


Esistono molti punti di vista su ciò che la nuova fisica mostrerà riguardo all'inizio dell'universo, perché questa è ancora una questione aperta. In una proposta, spazio e tempo ( spazio tempo ) ha iniziato ad esistere 13,8 miliardi di anni fa. In altre proposte, l'universo ha periodi inflazionistici. In un'altra proposta ancora un ' multiverso 'esisteva prima che il nostro universo iniziasse. I dettagli di ciò che è accaduto prima di 13,8 miliardi di anni fa (o se anche questo ha senso) devono ancora essere elaborati.

Molte linee convergenti di prova supportare il modello Big Bang, tra cui:


  • l'espansione osservata dell'universo
  • il cosmico osservato microonde sfondo radiazione e le sue anisotropie
  • i rapporti osservati di elementi che sono rimasti dall'universo primordiale
  • simulazioni che coinvolgono la formazione di galassie
  • le molte misurazioni (la maggior parte delle quali non hanno nulla a che fare con cosmologia ) che lo dimostrano materia oscura è reale e non solo un 'fattore fudge' (come alcuni teorici alternativi e creazionisti Richiesta)

Si noti che, a differenza di quanto affermano alcuni creazionisti, la teoria del Big Bang non tenta di descrivere le condizioni iniziali o la prima causa dell'universo. La teoria si limita a indirizzare lo sviluppo dell'universo dalle sue fasi iniziali estremamente dense e calde alla sua forma attuale. (Confronta e confronta come la teoria di Evoluzione allo stesso modo non si occupa di origine della vita sulla Terra ; ma semplicemente con il suo sviluppo dopo la sua origine.) È istruttivo pensare al Big Bang non come un'esplosione localizzata da cui tutta la materia si allontana, ma piuttosto come un'espansione uniforme dello spazio stesso. Un osservatore in qualsiasi punto dell'universo vede la stessa cosa: una distribuzione omogenea della materia ovunque, con le parti sempre più distanti che si allontanano sempre più velocemente.

Contenuti

Origini del modello Big Bang

La gente ha ipotizzato per centinaia di anni che l'universo avesse avuto un inizio - tale speculazione presagiva la premessa del Big Bang. Astronomi ad esempio Johannes Kepler (1571-1630) sostenevano che l'universo avesse un'età finita. Edgar Allan Poe nel 1848 vide l'Universo come di natura ciclica, in espansione e contrazione da un unico stato primordiale. Poe credeva anche che il tempo e lo spazio fossero una cosa sola, quasi 100 anni prima Albert Einstein lo dimostrerebbe. Nel 1927, belga fisico e cattolico sacerdote Georges Lemaître ha proposto un modello in espansione dell'universo per spiegare gli spostamenti verso il rosso osservati delle nebulose a spirale. Edwin hubble fornito le prove osservative delle galassie redshifting nel 1929. Einstein, avendo deliberatamente insinuato che ci fosse un Big Bang nella sua teoria del 1915 del relatività generale , ha dimostrato che l'evidenza matematica indicava un punto di partenza temporale e spaziale. Georges Lemaître notò le implicazioni di Einstein, e così Lemaître annunciò ufficialmente il modello del Big Bang. All'epoca, tuttavia, non si chiamava 'Big Bang'. Lemaître l'ha definita la sua teoria dei 'fuochi d'artificio' perché immaginava un inizio esplosivo. Il termine 'Big Bang' non è apparso fino al 1949, quando Fred Hoyle (egli stesso un sostenitore del modello a stato stazionario ) ha coniato il termine 'Big Bang', come un'etichetta dispregiativa.

Lo stesso Einstein propose la costante cosmologica al fine di mantenere una teoria dello stato stazionario, essendo profondamente disturbato dall'idea che l'universo si stesse espandendo e potesse eventualmente contrarsi su se stesso, portando a ciò che è stato soprannominato il ' Big Crunch '. In seguito si è corretto, definendo la costante cosmologica il suo 'errore più grande'. Al giorno d'oggi, tuttavia, si pensa che Einsteinnon lo feceerrore quando creò la costante cosmologica, perché oggigiorno la costante cosmologica è considerata rappresentativa energia oscura , che è una forza misteriosa che sta effettivamente causando l'espansione dello spazioaccelerare, il che significa che il Big Crunchnon lo faròaccadere.



Presupposti iniziali

Ci sono due presupposti necessari per costruire il Big Bang. C'è evidenza empirica per entrambe queste ipotesi, e sono considerate dichiarazioni ragionevoli e difendibili piuttosto che postulati.


  1. Le leggi della fisica sono le stesse ovunque nell'universo, ed erano le stesse in tutta la storia dell'universo.
  2. Su scala sufficientemente ampia, l'universo è omogeneo e isotropo.

La prima ipotesi è semplice, perché a) Non ci sono prove del contrario eb) Senza di essa potresti anche rinunciare a fare qualsiasi astronomia, astrofisica , o della cosmologia, poiché se le leggi fisiche nella galassia di Andromeda sono in qualche modo diverse da dove viviamo, ma le differenze sono così sottili che non possiamo rilevarne nessuna da dove siamo - beh, è ​​piuttosto difficile andare lì e misurare loro. Questa ipotesi è necessaria perché quando parliamo di come le cose interagiscono su scale galattiche, molto meno universali, dobbiamo usare la relatività generale. È molto meglio se la relatività generale si applica ad altre galassie nello stesso modo in cui si applica alla nostra.

La seconda ipotesi è nota come il principio cosmologico che ha un forte supporto empirico. È essenzialmente una versione più forte del principio copernicano, che afferma che la Terra non ha un posto speciale nel cosmo.


Cosa dice in realtà la teoria del Big Bang

Un malinteso comune è che il big bang fornisca una teoria delle origini cosmiche. Non è così. Il big bang è una teoria ... che delinea l'evoluzione cosmica da una frazione di secondo dopo quello che è successo per portare all'esistenza l'universo, manon dice nulla sul tempo zero stesso.E poiché, secondo la teoria del big bang, il botto è ciò che dovrebbe essere accaduto all'inizio, il big bang lascia fuori il botto. Non ci dice nulla su cosa ha sbattuto, perché ha sbattuto, come ha sbattuto o, francamente, se ha sbattuto davvero.—Brian Green,Il tessuto del cosmo, brossura, p. 272, corsivo nell'originale


Nonostante il nome, dice la teoria del Big BangNientesu come è nato l'Universo. In altre parole, non dice nulla sul Big Bang stesso. Tutto quello che dice è 'OK, conosciamo le leggi della fisica a queste scale energetiche, quindi possiamo estrapolare fino a circa 10 secondi, ma oltre a ciò non abbiamo idea di cosa sia successo; avremmo bisogno di un file quantistico teoria di gravità per quello.' Questa sezione fornirà una cronologia della teoria del big bang.

L'era di Planck

L'era di Planck è l'era temporale dallo zero assoluto a circa 10 secondi (l'omonimo tempo di Planck) dopo il Big Bang. Non abbiamo ancora una teoria funzionante per questo lasso di tempo e quasi nessun dato di osservazione - di conseguenza si può dire poco con certezza. Tuttavia, in questi tempi brevi ed energie elevate, si prevede che la gravitazione sia stata forte quanto le altre tre forze fondamentali (interazione forte, debole ed elettromagnetica) e tutte e quattro le forze potrebbero essere state unificate in una.

L'universo a quei tempi lo eraestremamenteminuscola, molto più piccola di una particella subatomica, calda e liscia anche se non appena iniziava ad espandersi, le variazioni quantistiche avrebbero cominciato a causare piccole fluttuazioni di densità su di essa.

Epoca della Grande Unificazione

Dopo 10 secondi, l'universo ancora piuttosto piccolo, nonostante si fosse in qualche modo espanso, si era raffreddato fino a raggiungere i freddi 10 K, causando la separazione della gravità dalle altre tre forze. Mentre il Modello standard della fisica delle particelle non può accogliere un tale Teoria della Grande Unificazione (GUT), molte teorie oltre il Modello Standard, ad es. Supersimmetria, can. Nella teoria quantistica dei campi (la descrizione delle interazioni delle particelle a livello fondamentale), le particelle non hanno nudo masse - la massa è una conseguenza di un processo chiamato rottura spontanea della simmetria . Nelle GUT altamente simmetriche, le particelle sono prive di massa.


Inflazione

Il concetto di inflazione cosmica propone che circa 10 secondi dopo il momento iniziale, quando si è raffreddato a 10K, l'universo ha subito un periodo di rapida espansione che ha attenuato le fluttuazioni di densità sopra menzionate. L'inflazione è stata sviluppata da Alan Guth all'inizio degli anni '80 per risolvere alcuni problemi con la teoria standard del Big Bang. Questi sono:

  1. Il problema dell'orizzonte : La materia nell'universo attuale è estremamente omogenea; la densità delle galassie e delle nuvole di gas è la stessa indipendentemente dalla direzione in cui guardiamo. Inoltre, la temperatura del fotoni del fondo cosmico a microonde da una direzione sono gli stessi che dalla direzione opposta. Questi fotoni provengono da due punti dell'universo che non sono mai stati in contatto. Eppure in qualche modo hanno la stessa temperatura! L'unico modo per risolvere questo problema era se l'Universo si espandesse molto rapidamente nelle sue fasi iniziali.
  2. Il problema della piattezza : Test cinematici e dati dalle fluttuazioni CMB suggeriscono che l'Universo è piatto. Inoltre, l'unico modo in cui potrebbe formarsi una struttura su larga scala è se l'Universo fosse piatto. Se l'Universo fosse chiuso, con la densità molto maggiore della densità critica, ρ >> ρcrit, allora l'universo sarebbe collassato in un singolarità tanto tempo fa. (Questo scenario, a proposito, si chiama il grande crunch. ) Ma se ρ<< ρcritallora l'universo avrebbe iniziato ad espandersi molto rapidamente e le galassie e la struttura su larga scala che vediamo oggi non avrebbero potuto formarsi. Il modo in cui l'inflazione fa questo è chiedendo che le disomogeneità (classiche) siano eliminate. O, più precisamente, essere allungati a scale molto più grandi dell'universo osservabile. (È interessante notare che l'inflazione prevede anche che varie regioni dell'universo siano causalmente disconnesse (cioè, non possono comunicare tra loro), il che consente la possibilità di un multiverso.)
  3. Il problema del monopolo : Molte teorie della grande unificazione (GUT) prevedono l'esistenza di monopoli magnetici , e inoltre prevedere che sarebbero stati prodotti in gran numero nello stato iniziale molto caldo dell'Universo. Tuttavia, ne vediamo pochissimi in natura. L'inflazione risolve il puzzle dei monopoli magnetici diffondendoli su vasti spazi in un periodo di tempo relativamente breve (minuscole frazioni di secondo, ma più lungo della vita dell'universo prima dell'inizio di detta inflazione) - ovviamente questo punto è discutibile se i GUT fossero sbagliati e i monopoli non esistessero affatto-.
  4. Il problema delle fluttuazioni iniziali : Come accennato in precedenza, piccole sovra e sottodensità nell'Universo primordiale erano i semi per la formazione di galassie e strutture su larga scala. La domanda rimane, però: perché ci sono le fluttuazioni e cosa ne determina la forma? L'inflazione dice che provengono daquantistico(non classico; ricorda, quelle sono spazzate via dall'inflazione!) fluttuazioni quando l'Universo era delle dimensioni di Planck. Sono stati poi amplificati a scale galattiche. L'inflazione prevede anche la forma delle fluttuazioni.

Questa inflazione si è verificata a una velocità molto più veloce rispetto a velocità della luce . Quando l'Universo era vecchio di un quinto di microsecondo, aveva le dimensioni del sistema solare, essendosi raffreddato a 'solo' 10K.

Naturalmente, la domanda naturale da porsi sull'inflazione è: 'Quale bizzarra forma di materia potrebbe causarequello? Si scopre che se hai un campo scalare con il giusto potenziale, si verificherà un'epoca inflazionistica e soddisferà le condizioni per risolvere i problemi sopra elencati. Utilizzando il giusto potenziale, si può anche organizzare un fileuscita graziosa. Ciò significa che ci sarà una transizione graduale dall'epoca inflazionistica a un'espansione di Friedman. Sono molti gli scenari inflazionistici concreti (che ovviamente derivano dalla scelta di un potenziale) che sono stati proposti.

E alloraèil 'inflaton' , la particella che lo ha causato? I fisici originariamente pensavano che il campo di Higgs fosse il campo che causa l'inflazione (o, il bosone di Higgs èl'inflazione). Tuttavia, il potenziale (il potenziale di Higgs o cappello messicano) non ha le proprietà giuste, quindi qualche altra particella scalare deve essere l'inflaton. Attualmente si pensa che l'inflazione sia un 'oltre il Modello standard 'particella.

Un altro pezzo importante di questa storia è la transizione di fase nota come riscaldamento. Il riscaldamento è il processo mediante il quale il campo di inflazione decade nelle altre particelle, come quark , elettroni e fotoni.

La teoria dell'inflazione caotica, o teoria dell'universo delle bolle o teoria dell'inflazione eterna, è un modello alternativo di inflazione. Sviluppato dal fisico Andrei Linde e altri nel 1986, risolve un problema della teoria dell'inflazione, vale a dire come porre fine al periodo inflazionistico. Dice che il Big Bang è stato l'inizio del multiverso, l'inflazione più veloce della luce non è mai finita e non lo farà mai, e che gli universi sorgono dalle fluttuazioni quantistiche nel vuoto al di fuori degli universi, sebbene l'espansione FTL finisca quasi istantaneamente, a differenza del multiverso che lo ha fatto sin dal Big Bang e lo farà sempre.

I dati delle missioni spaziali dedicate allo studio del fondo cosmico a microonde come NASA 'SWMAPo QUESTO 'SPlanckdare un forte sostegno alla teoria inflazionistica, e i risultati di quest'ultima convalidano i modelli più semplici. Tuttavia ci sono ancora molti modelli inflazionistici tra cui scegliere e alcuni cosmologi sono ancora scettici su tale teoria.

L'inflazione cosmica non ha alcuna relazione con il fenomeno macroeconomico di inflazione , tranne nella misura in cui i libri su di esso costano leggermente di più ogni anno.

Epoca elettrodebole

Poiché la forte interazione ha scisso l'interazione elettrodebole già dopo la fine dell'era GUT, l'epoca inflazionistica è talvolta considerata parte dell'epoca elettrodebole. L'interazione forte era diventata una forza separata, ma l'elettromagnetismo e l'interazione debole erano ancora unite. I fotoni (e i bosoni Z) non esistevano come particelle separate: sono in realtà una combinazione dei bosoni W e B, e quei due esistevano allora come particelle separate. Inoltre, i bosoni W, W, W e B erano privi di massa, sebbene W e W siano le terze particelle più massicce nel Modello Standard - acquisiscono massa attraverso il meccanismo di Higgs che rompe la simmetria elettrodebole e dà origine a un elettromagnetico separato e un debole interazione nell'universo di oggi.

Storia termica e nucleosintesi

Dopo il riscaldamento, c'era una zuppa di particelle del modello standard. All'inizio c'era un plasma di quark-gluone. I quark e gluoni non sono legati gli uni agli altri a queste alte energie. All'inizio, questo può sembrare sconcertante; il colore non dovrebbe essere limitato? Sì, ma solo a basse energie. Cromodinamica quantistica ha una proprietà peculiare chiamata libertà asintotica. Cioè, alle alte energie, la forza diventa effettivamente più debole. In ogni caso, quando il plasma si è sufficientemente raffreddato, i quark e i gluoni vengono legati insieme in barioni . Sono presenti anche gli antibarioni (le antiparticelle dei barioni), che si annientano con i barioni. 1 SEMBRA che antibarioni e barioni sarebbero prodotti in quantità uguali. Se così fosse, tutti gli antibarioni si annienterebbero con i barioni e non ci sarebbero barioni rimasti. Questo ovviamente non è il caso, quindi qualche processo deve aver favorito i barioni rispetto agli antibarioni. In altre parole, c'erano leggermente più barioni che antibarioni. Alcuni di questi barioni alla fine divennero nuclei di elio o elementi più pesanti attraverso la nucleosintesi. Avremo altro da dire su questo più avanti, ma prima discuteremo la storia termica dei leptoni.

Dobbiamo prima parlare di disaccoppiamento termico. Considera due specie di particelle, A e B. Hanno una reazione che le mantiene in equilibrio termico. Se la velocità della reazione γ è inferiore alla velocità di espansione (cioè la costante di Hubble), le particelle sono in equilibrio termico e hanno la stessa temperatura. Quando questa condizione non viene soddisfatta, le particelle non sono più in equilibrio termico e si dice che lo sianodisaccoppiato.Nell'universo primordiale, il neutrini erano in equilibrio termico con tutto il resto. Tuttavia, dopo un certo tempo, la velocità di reazione che sostiene quell'equilibrio è diventata maggiore della costante di Hubble ei neutrini si sono disaccoppiati. Dovrebbero essere ancora visibili oggi, ma poiché sarebbero sommersi da neutrini ad alta energia provenienti da varie fonti astrofisiche, sarebbero difficili da rilevare. Comunque, poco dopo il disaccoppiamento dei neutrini, ebbe luogo l'annichilazione elettrone-positrone. Come con l'annichilazione barione-antibaryon, deve esserci stato un leggero eccesso di elettroni sui positroni nell'universo primordiale.

Come promesso, discuteremo ora la nucleosintesi. Neutroni e protoni sono mantenuti in equilibrio chimico da certe reazioni. Una volta che la velocità di queste reazioni è maggiore della velocità di espansione, non sono più in equilibrio e il rapporto tra protoni e neutroni 'si blocca'. Ciò significa che il rapporto tra neutroni e protoni è costante. Ora, un neutrone e un protone a volte vengono fusi insieme in un nucleo di deuterio. Questi potrebbero essere fusi insieme in un file elio -4 nucleo, ma le reazioni non sono abbastanza efficienti perché ciò avvenga. Quando la temperatura si è sufficientemente raffreddata, inizia la nucleosintesi. L'elio viene fuso estremamente rapidamente, lontano dall'equilibrio. Tuttavia, in pratica, possiamo usare un'approssimazione di quasi equilibrio per i calcoli della nucleosintesi. Quando la velocità di reazione è nuovamente maggiore della velocità di espansione, l'abbondanza di elio si congela. Cose simili accadono per il litio e alcuni altri metalli. (Gli astronomi usano metalli per intendere qualcosa di diverso dall'idrogeno o dall'elio.) Si può calcolare l'abbondanza dopo la nucleosintesi del big bang ed è circa il 75% di idrogeno, il 25% di elio e tracce di metalli. Questo è esattamente ciò che si vede nel mezzo interstellare.

Quindi ora si ha un plasma (opaco) di idrogeno ionizzato e nuclei di elio. Alla fine, la temperatura si raffredderà abbastanza perché gli elettroni si leghino ai nuclei. Questo è noto come l'epoca di ri combinazione. : l'Universo sarebbe diventato trasparente alla radiazione con i fotoni che formano il fondo cosmico a microonde essendo stati emessi a quel punto, (vedi ulteriore ).

Sebbene la radiazione potesse viaggiare molto liberamente attraverso l'Universo, era un luogo buio pieno di poco più che atomi di idrogeno ed elio. Questi cosiddetti 'secoli bui' durarono settecento milioni di anni fino a quando non si formarono le prime stelle, sollevando finalmente quel velo oscuro.

Galassia e formazione di strutture su larga scala

Come accennato, le fluttuazioni quantistiche dell'inflazione sono diventate i semi per la formazione delle galassie - sono cresciute per instabilità gravitazionale e sono diventate le galassie e la struttura su larga scala, tartarughe fino in fondo una rete di galassie e ammassi di galassie che circondano vuoti grandi, quasi vuoti, che vediamo oggi. Da lì in poi, l'evoluzione dell'Universo sembra essere meglio descritta dal modello cosmologico standard, noto come Lambda-CDM .

Il Big Bang come un'esplosione

Gli americani capiscono la teoria del Big Bang? In un recente sondaggio'solo il 39% ha risposto correttamente (vero) che' L'universo è iniziato con un'enorme esplosione '. A prima vista gli americani non capiscono molto bene la cosmologia rilevante, ma l'indagine è almeno in parte sbagliata. Gli scienziati non sono d'accordo se il Big Bang possa essere definito un'esplosione. Quindi gli intervistati che negano che l'Universo sia iniziato con un'esplosione includono due gruppi.

  1. C'è chi non capisce la scienza abbastanza bene da sapere che l'inizio dell'Universo può essere concettualizzato come un'esplosione.
  2. Ci sono anche quelli che capiscono la scienza abbastanza bene da sapere che il Big Bang non era come le esplosioni come di solito intendiamo il termine.

Ciò dimostra come anche i sondaggi intesi per essere accurati possano essere sbagliati. I sondaggi intenzionalmente imprecisi sono una branca di pseudoscienza nella migliore delle ipotesi, ma peggio un intento deliberato di illudere coloro che prendono i sondaggi o coloro che leggono i risultati.

Prove per il Big Bang

Ci sono quattro elementi di prova principali per il Big Bang che sono così ben consolidati da essere indicati come i 'quattro pilastri' del Big Bang. Sebbene esistano altre prove, queste quattro sono le più convincenti.

Pilastro 1: l'Universo si sta espandendo

Vedi l'articolo principale su questo argomento: universo in espansione

Fino all'inizio del XX secolo, l'Universo era ritenuto dalla maggior parte degli scienziati statico e immutabile. Tuttavia, le osservazioni e le analisi di Edwin Hubble alla fine degli anni '20 hanno mostrato che tale ipotesi era errata. Ha scoperto che la velocità di recessione di una galassia è direttamente proporzionale alla sua distanza dall'osservatore. Questo risultato è noto come legge di Hubble; la costante di proporzionalità è chiamata costante di Hubble. Ci sono due possibili spiegazioni per queste osservazioni.

  1. La Terra è al centro di una massiccia esplosione di galassie.
  2. L'universo si sta espandendo uniformemente.

La spiegazione 1 è insostenibile perché è in conflitto con il principio cosmologico (vedi sopra le ipotesi iniziali). Ciò lascia la spiegazione 2.

Se le conseguenze della Spiegazione 2 venissero estrapolate nel passato, tutta la materia nell'universo osservabile sarebbe stata in un unico punto circa 13,8 miliardi di anni fa.

Pilastro 2: radiazione cosmica di fondo a microonde

La radiazione di fondo rilevata dal satellite WMAP

Se la materia nell'universo primordiale fosse stata altamente compressa, sarebbe stata estremamente calda e densa, tanto che i barioni non potrebbero formarsi, tanto meno atomi , e c'era semplicemente un mare di elettroni , quark , e fotoni . I fotoni interagirebbero costantemente con il plasma del quark elettronico, formandosi e annichilendosi costantemente senza andare molto lontano. Nel corso del tempo, l'Universo si è raffreddato abbastanza da consentire ai quark di combinarsi in barioni (principalmente protoni e neutroni). Dopo un ulteriore raffreddamento, dopo circa 3-20 minuti, i protoni e i neutroni potrebbero combinarsi in piccoli nuclei atomici (sebbene la maggior parte dei protoni non lo facessero). Dopo un raffreddamento ancora maggiore, dopo circa 370.000 anni, i nuclei potrebbero combinarsi con gli elettroni per formare atomi neutri.

Una volta che l'Universo si è raffreddato abbastanza da consentire agli elettroni e ai nuclei di combinarsi in atomi neutri, i fotoni rimanenti sono stati `` rilasciati '', il che significa che potevano percorrere grandi distanze come radiazione senza interagire con una particella carica. Quindi, se si verificasse il Big Bang, dovremmo vedere le vestigia di questa radiazione che permeano tutto lo spazio, e dovrebbe apparire lo stesso in tutte le direzioni. Poiché è stata emessa da un universo interamente in equilibrio termico, anche questa radiazione dovrebbe mostrare a pattern spettrale del corpo nero . Non solo è uno spettro del corpo nero, ma è il corpo nero misurato più precisamente. Sui grafici che mostrano i dati e lo spettro adattato, le barre di errore sono normalmente troppo piccole per essere viste e sono comunemente ridimensionate 400 volte per essere visibili.

Lo spettro di potenza angolare misurato da vari esperimenti, con mostrato anche il modello ΛCDM più adatto.

Inoltre, la radiazione sarebbe stata molto altamente energetica, con una lunghezza d'onda molto corta, nel momento in cui l'Universo sarebbe diventato trasparente per luce . Tuttavia, l'espansione dell'Universo da quel momento avrebbe allungato la lunghezza d'onda di quella radiazione o, equivalentemente, l'avrebbe notevolmente raffreddata. Nel tempo, la radiazione passerebbe dai livelli dei raggi X a ultravioletto , per visibile (accidenti, per fortuna i nostri occhi non esistevano allora), agli infrarossi, a microonde .

Oggi chiunque può puntare un radiotelescopio verso il cielo e trovare uno spettro di radiazioni isotropo, corpo nero, con un picco nella regione delle microonde dello spettro, con una temperatura corrispondente in media a 2,726 Kelvin. Se non possiedi un telescopio, prova a sintonizzare la ricezione TV su un canale inesistente; parte dell'elettricità statica che vedi è la radiazione residua del Big Bang.

Notare i molti punti colorati che possono essere visti sulla mappa dello sfondo cosmico a microonde presa dal satellite WMAP, che mostra differenze di temperatura molto piccole (milionesimi di K) su di esso. La maggior parte di esse sono irregolarità nate dall'inflazione cosmica, che ha cancellato quasi tutte quelle preinflazionistiche, e sono i semi attorno ai quali è cresciuta la struttura dell'Universo. Lo spettro di potenza angolare descrive su quale scala tendono a verificarsi queste variazioni. La forma esatta di questo spettro può essere prevista dalla teoria e mostra un buon accordo con l'esperimento.

Pilastro 3: abbondanza di elementi chimici leggeri

A partire da circa tre minuti dopo il Big Bang e fino a circa venti minuti dopo, la temperatura dell'Universo era abbastanza bassa da consentire la formazione di protoni e neutroni, ma comunque abbastanza calda da fusione nucleare potrebbero verificarsi reazioni. Durante questo periodo, si formò la maggior parte dell'elio dell'Universo (la quantità di elio aggiunta dalla fusione stellare poiché è piccola rispetto alla quantità primordiale). Inoltre alcuni elementi luminosi, come deuterio e alcuni isotopi di litio e berillio, non possono essere formati in quantità significative nelle reazioni di fusione stellare poiché qualsiasi nucleo stellare abbastanza caldo da crearli è anche abbastanza caldo da continuare a fonderli in elementi più pesanti dato abbastanza tempo. Questi elementi possono essere creati solo in un'epoca di fusione molto più breve della durata di vita di una stella.

Come osservato, la composizione della materia nell'universo è fondamentalmente il 75% di idrogeno e il 25% di elio con tracce degli elementi leggeri creati nell'epoca della nucleosintesi. Ancora più interessante, è possibile prevedere le abbondanze relative di questa materia utilizzando un singolo parametro, il rapporto fotone-barione. Il corretto rapporto fotone-barione può essere determinato misurando minuscole fluttuazioni nella radiazione di fondo cosmica a microonde. Utilizzando il valore del rapporto fotone-barione derivato dal fondo cosmico a microonde per calcolare i rapporti elementari previsti, si ottengono numeri estremamente vicini a quelli osservati spettroscopicamente.

Pilastro 4: morfologia e distribuzione galattica

Le galassie lontane da noi sono molte anni luce di distanza, quindi quando li osserviamo, li vediamo come erano molto tempo fa a causa del tempo di percorrenza leggero . Di conseguenza, possiamo avere idee abbastanza buone sulla formazione di stelle, formazione di galassie, formazione di ammassi di galassie e formazione di superammassi perché possiamo vedere istantanee di queste cose che accadono in epoche diverse. Si scopre che le galassie che si sono formate molto tempo fa sono abbastanza diverse da quelle vicine che vediamo oggi, misurate da stelle e quasar formazione.

Queste osservazioni suggeriscono che l'Universo era diverso in passato da come è ora, il che è una prova contro il 'modello a stato stazionario' dell'Universo che era un'alternativa al Big Bang prima della scoperta della radiazione cosmica di fondo a microonde. In questi giorni quasi tutti gli scienziati riconoscono che il Big Bang è il modo di pensare alla formazione e alla crescita iniziale dell'universo.

Creazionisti

Ovviamente, ogni volta chequalunquea due scienziati è capitato di non essere d'accordo anche sull'aspetto più secondario della teoria, la conversazione è estratto per eventuali citazioni che potrebbe essere travisato per supportare creazionismo . Tuttavia, qualsiasi discussione sullo sviluppo dell'Universo è destinata ad essere seriamente limitata: tutte le nostre osservazioni sono fatte da un solo minuscolo angolo di spazio, in un batter d'occhio. Non abbiamo ancora finito di imparare.

Molti creazionisti spesso travisare la teoria del Big Bang, poiché solo alcuni di loro comprendono la teoria e le sue implicazioni - quando non descrivono un pasticcio che ha poca o nessuna somiglianza con esso, fino a mescolarsi Genesi versi, un'affermazione molto comune è come affermato di seguito che l'Universo è venuto dal nulla e nulla viene dal nulla, quindi la teoria non è valida, ignorando i problemi con quell'argomento descritto più avanti.

Naturalmente e in aggiunta alle false dichiarazioni di cui sopra, possono anche ricorrere alla Bibbia e entrambe affermano poiché non è menzionato lì il Big Bang non è accaduto o che gli eventi descritti in detto libro ( Nascita verginale , il Sole che diventa nero dopo la morte di Gesù, ecc.) sono molto più credibili che si siano verificati, anche se le prove di questi ultimi eventi sonomolto menorispetto al primo.

Come creare un universo

Il dottor Guth e altri sperano di capire come creare un universo in laboratorio. Guth una volta ha dichiarato in un'intervista:

In effetti, ho lavorato con molte altre persone per un certo periodo di tempo sulla questione se in linea di principio sia possibile creare un nuovo universo in laboratorio. Se funziona davvero o no, non lo sappiamo con certezza. Sembra che probabilmente funzionerebbe. In realtà è sicuro creare un universo nel tuo seminterrato. Non sposterebbe l'universo intorno ad esso anche se crescerebbe enormemente. Creerebbe effettivamente il proprio spazio mentre cresce e infatti, in una brevissima frazione di secondo si separerebbe completamente dal nostro Universo e si evolverebbe come un universo chiuso isolato che cresce fino a proporzioni cosmiche senza spostare nessuno dei territori che noi attualmente rivendicare.

Domanda

'Cosa c'eraprimail big Bang?'

Idee realmente plausibili e logicamente valide

  • 'La domanda è priva di senso, perché non c'era tempo (o spazio) perché esistesse qualcosanel, quindi la parolaprimanon ha senso. ' Questa mancanza di significato è stata evidenziata in un'eccellente analogia da Stephen Hawking , che ha descritto la domanda come 'come chiedere cosa si trova a nord del Polo Nord'. (O semplicemente chiedi queste persone, che sono così a nord che una bussola punta effettivamente a ovest.
  • 'Il multiverso esisteva prima del Big Bang'.
  • 'Solo il nulla, da cui è apparsa una fluttuazione quantistica che sarebbe il Big Bang'
  • L'Universo stesso è esistito per sempre prima del Big Bang, probabilmente in una fazione cosmica simile a un uovo (ad esempio come un 'inferno quantistico' (infinitamente caldo e privo di spazio-tempo), prima di esplodere.
  • 'La risposta va oltre le attuali conoscenze scientifiche' (il che non significa che la risposta debba essere trovata in soprannaturale , Religione , o pseudoscienza )
  • In alternativa, l'Universo o qualunque cosa lo abbia preceduto negli esempi di cui sopra semplicementeècon la forza bruta, senza alcuna causa o spiegazione per la sua esistenza '

Risposte assurde e false

Il limite per la conoscenza del Big Bang è Ora di Planck . Il tempo di Planck è il periodo di tempo significativo più breve. È da qualche parte circa 10 secondi, che è estremamente breve, ma non lo è zero . Non è possibile sapere cosa sia successo meno di una volta Planck dopo il Big Bang. In effetti, non solo non è possibile sapere cosa è successo, in realtà non ha senso nemmeno fare la domanda. Stando così le cose, anche la domanda su cosa è successo prima del Big Bang è priva di significato. Dobbiamo solo raggrupparlo e continuare a fare domande significative. Come ha affermato Brian Greene, 'Un malinteso comune è che il Big Bang fornisca una teoria delle origini cosmiche. Non è così. Il Big Bang è una teoria ... che delinea l'evoluzione cosmica da una frazione di secondo dopo quello che è successo per portare all'esistenza l'universo, manon dice nulla sul tempo zero stesso.E poiché, secondo la teoria del Big Bang, il botto è ciò che dovrebbe essere accaduto all'inizio, il Big Bang lascia fuori il botto. Non ci dice nulla su cosa ha sbattuto, perché ha sbattuto, come ha sbattuto o, francamente, se ha davvero battuto. Si potrebbe dire che la teoria del Big Bang è all'origine dell'universo ciò di cui la teoria Evoluzione è quello di abiogenesi .

Hawking's libroUna breve storia del tempofornisce una spiegazione ragionata del Big Bang e degli eventi successivi, ma è comunemente considerato estremamente denso al punto da renderlo illeggibile. Un altro libroUna storia più breve del tempoda allora è stato pubblicato.

Julian Barbour lo suggerisce realtà termina semplicemente sul nulla al punto alfa, come un fatto bruto, allo stesso modo Inghilterra confina con il mare a Land's End senza richiedere una spiegazione.

Teoria di tutto?

Sono notevoli i pilastri della fisica moderna, meccanica quantistica e la relatività generale, lavorano insieme in modo abbastanza coerente da dare origine alla disciplina della cosmologia, lo studio dell'Universo nel suo insieme. Molte domande hanno avuto risposta, ma molte rimangono.

Addendum: Dio?

Teisti di ogni genere hanno tentato di utilizzare la teoria come una 'prova' dell'esistenza di Dio. Bene Goddidit :

'Come è stato avviato il Big Bang, se non da un essere soprannaturale?' loro chiedono.
A cui è necessaria una sola risposta:
'Come è stato creato l'essere soprannaturale se non da un essere soprannaturale?'
Il che porta invariabilmente a supplica speciale : “Dio è Dio, e quindi è esente da ciò che è possibile e da ciò che è impossibile, poiché esiste indipendentemente dal tempo e dallo spazio.
A cui ancora una volta è necessaria una sola risposta:
'Se esiste indipendentemente dal tempo e dallo spazio, perché ne aveva bisognocreare(il che significa creare qualcosa che non esisteva già prima) l'universo in modo che esistesse? '
...e così viaall'infinito.

(Un altro modo di usare il Big Bang come prova di Dio gioca sul malinteso comune che fosse un botto. Dire 'Il big bang è avvenuto quando Dio ha detto:' Sia la luce '. Questo ignora il fatto che per milioni di anni la luce non può propagarsi a causa della densità dell'universo.) Questo paradosso è irrisolvibile, quindi alla fine si tratta di una questione di fede o la mancanza di.

NelUna breve storia del tempo, Stephen Hawking delinea l'uso matematico ditempo immaginarioil che si traduce nella descrizione dell'universo come di natura ipersferica senza inizio né fine - questi essendo semplicemente punti su una 'superficie' indistinguibile dagli altri. Il risultato è che il requisito di 'inizio' e 'causa' viene rimosso, così come il bisogno di fede (un concetto che non ha posto nella scienza).

È interessante notare che la teoria del Big Bang è stata proposta per la prima volta da un prete cattolico e professore di fisica Georges Lemaître. Ha portato la teoria all'attenzione del pubblico per la prima volta dopo la scoperta del redshift delle nebulose vicine, sebbene sia stato Fred Hoyle a coniare il nome effettivo come termine derisorio. (Più o meno allo stesso modo in cui Rene Descartes ha coniato 'numeri immaginari' come termine dispregiativo per i numeri complessi di Cardano / Bombelli). Rispetto all'attuale teoria del Big Bang, che incorpora aspetti come l'inflazione, Lemaître ha ipotizzato che tutta la materia per l'Universo provenisse da un 'atomo primordiale', oggi più comunemente descritto come una singolarità.

Allora cosa succede dopo?

L'universo, da questo punto, potrebbe:

  1. Continua ad espandersi, finché non si espande così lontano da non poter collassare su se stesso . Alla fine la materia e l'energia sarebbero state così disperse che nessuna particella avrebbe interagito di nuovo. Questa è chiamata 'la morte termica dell'universo'.
  2. Continua ad espandere, ma riduci il tasso di espansione, raggiungendo asintoticamente lo 0 . In questo scenario, anche l'Universo andrebbe in morte per calore.
  3. Continua ad espandersi, ma a velocità sempre più lente, finché la gravità non prende il sopravvento, comprimendo tutta la massa in una singolarità , forse dando il via a un altro Big Bang.

Una quarta opzione, che è stata scoperta solo di recente, è che l'espansione continuerà ad accelerare fino all'Universo è lacerato a livello atomico . (Il 'grande squarcio'.) Recenti studi sulla radiazione cosmica di fondo a microonde, lenti gravitazionali e, soprattutto, misurazioni migliorate delle supernove hanno portato alla scoperta che l'espansione sta davvero accelerando. Una possibile spiegazione di questa accelerazione è il fatto che, man mano che l'Universo si espande, la densità della materia oscura diminuisce mentre la densità di energia oscura rimane costante, portando così ad un'eventuale predominanza di energia oscura che a sua volta guida l'espansione.