Lielais sprādziens

Vikipēdijas raksts
Pārlēkt uz: navigācija, meklēt
Lielais sprādziens (attēla apakšā) un Visuma izplešanās.
Šis raksts ir par Visuma rašanās teoriju. Par seriālu skatīt rakstu The Big Bang Theory.

Lielais sprādziens ir mūsdienās pieņemtais kosmoloģiskais skaidrojums par Visuma rašanos, hipotētisks sprādzienveida process, kurā no niecīga ultrablīva objekta izveidojās Visums, Visuma attīstības sākumposms. Saskaņā ar Visuma veidošanās teoriju, Lielais sprādziens noticis aptuveni pirms 10 — 15 miljardiem gadu.

Raksturojums[izmainīt šo sadaļu | labot pirmkodu]

Gandrīz visi astronomi 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.

Lielais Sprādziens[izmainīt šo sadaļu | labot pirmkodu]

Lielais sprādziens iztēlots

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

Kosmiskais mikroviļņu fons, kā vēl mēdz saukt šos mikroviļņus, pēdējos gados ir atļāvis zinātniekiem izveidot atbildes uz dažādiem svarīgākajiem jautājumiem kosmoloģijas novirzienā. Kosmiskais mikroviļņu fons ir devis mums zināmu arī Visuma vecumu un sastāvu. Tagad zinām, kad izveidojušās pirmās zvaigznes, kāpēc eksistē galaktikas un kāpēc laikam ir noteikts virziens. Atbildes gan dod nevis pats mikroviļņu fons, bet gan tā kopsakars ar inflācijas teoriju. Inflācijas teorija apgalvo, ka pēc Lielā Sprādziena Visums izpleties eksplozīvi un ka inflācijas 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.

Einšteina pretrunas[izmainīt šo sadaļu | labot pirmkodu]

Inflācijas 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. 1929. gadā Edvīns Habls atklāja, ka Visumā visas galaktikas attālinās cita no citas — ar to pašu tas 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.

Zinātnieki atklāj mikroviļņus[izmainīt šo sadaļu | labot pirmkodu]

Penziasa un Vilsona antena

Laikā pēc 1929. gada, kad fiziķi pilnveidoja Lielā Sprādziena modeli, kļuva skaidrs, ka Visumam trūkst kāds noteikts starojums. Katram priekšmetam ir savs siltuma spektrs, un, tā kā Lielais Sprādziens bija ārkārtīgi karsts viņam vajadzētu aiz sevis atstāt šādu spektru.

Tomēr gadiem ejot astronomiem nesanāca atrast šo spektru ko atstājis Lielais Sprādziens. Tikai 1965. gadā tika atklāts mikroviļņu fons, reliktstarojums. Zinātnieki Arno Penziass un Roberts Vilsons nodarbojās ar pavisam jaunas antenas izstrādi, bet nevarēja tikt vaļā no ļoti apnicīga trokšņa. Tādēļ viņi sāka meklēt trokšņa avotu un galu galā saņēma Nobela prēmiju par to, ka līdz šim bija atklājuši neredzēto mikroviļņu fonu.

Atklājuma dēļ radās jauni un jauni jautājumi jo mikroviļņu temperatūra visur bija vienmērīga. Problēmu var attēlot ar sadzīvisku piemēru. Jānītim ir termometrs, un viņš nolemj savās mājās izmērīt temperatūru. Viņš atrod tajā daudzus tūkstošus mazu priekšmetu, kuru visu temperatūra ir — 2,727 grādi. Tā kā parasti ir novērojama liela temperatūras atšķirība, tādējādi šādai sakarībai ir nepieciešams skaidrojums. Tāpēc Jānītis pārbauda arī ledusskapja temperatūru un arī tā ir tāda pati. Mistērija ir izskaidrota. Acīmredzot priekšmeti 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 vienkārši nav iespējams gaismai pārvietoties pa visumu visā tā stāvēšanas laikā. Vienkārši sakot Visuma apgabaliem ir vienāda temperatūra kaut arī tie nekad nav satikušies cits ar citu. Tā tam nevajadzētu būt. Kosmologi to nosauca par horizonta problēmu, un tikai 20 gadu vēlāk to atrisināja inflācijas teorija.

Īstais Lielā Sprādziena blīkšķis[izmainīt šo sadaļu | labot pirmkodu]

Jaunais fiziķis Alans Gats no Masačūsetsas Tehnoloģiskā institūta bija tas zinātnieks, kurš 1979. gadā atvēra durvis uz inflācijas teiksmaino valstību. Sākotnēji viņš centās atrisināt ar masu daļiņu saistītas neskaidrības, bet nonāca pie visuma rašanās teorijas.

Pat vakuumā priekšmetam piemīt inerce pret paātrinājumu. Tas apliecina, ka ķermenim ir masa, un, jo lielāka inerce, jo lielāka masa. Meklējot skaidrojumu daļiņu inercei, Gats pētīja t.s. Higsa lauku, kas savu nosaukumu ieguva no fiziķa Pītera Higsa. Tāpat kā peldēšana medus pilnā baseinā padarītu peldētāja kustības inertākas nekā peldētāja kustības, kas peldētu ūdenī. Higsa lauks pārklājas visam izplatījumam pāri kā tāda taukaina 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.

Alana Gata aprēķini padarīja Lielo Sprādzienu par īstu kosmisku blīkšķi. Spēku kas to izraisīja, tagad sauc par inflācijas lauku, un zinātnieki vairs nerunā par Lielo Sprādzienu vispārīgās frāzēs kā par eksploziju — inflācija ļauj konkrēti aprakstīt sprādziena procesu.

Visuma paātrināšanās[izmainīt šo sadaļu | labot pirmkodu]

Inflācija atrisināja horizonta problēmu. Inflācija 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 inflācijas 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 inflācija 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.

Līdz šim vislabākie mikroviļņu fona mērījumi ir 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 tik precīzi sakrita ar līkni. Lielā Sprādziena scenārijā, kurā inflācija nav iekļauta, spektrs izskatītos pavisam citādi.

Visuma mērīšana[izmainīt šo sadaļu | labot pirmkodu]

Visuma reliktstarojuma fons attēlots 2012.gadā pēc 9 gadu ilgiem WMAP mērījumiem

Izmantojot inflāciju kombinācijā ar mikroviļņu fona, zinātniekiem ir pavērusies iespēja salikt pa plauktiņiem milzum daudz Visuma aspektu. 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.

Līdzīga kārtā rezonanses frekvenču augstumu atklāj, ka Visums satur 4 procentus atomu, 22 procentus tumšās matērijas un 74 procentus tumšās enerģijas. Tātad visus 96% Visuma veido mums pavisam nepazīstama matērija un enerģija.

Minētie skaitļi saskan ar vairākiem citiem pētījumiem. Deviņdesmitajos gados amerikāņu un austrāliešu zinātnieki pētījuši zvaigznes, ko sauc par 1a tipa pārnovām. Šī veida pārnovu veido baltā pundurzvaigzne, kas uzsūc sevī blakus esošo zvaigzņu vielu. Brīdī, kad punduris sasniedz noteiktu lielumu, tas eksplodē, atbrīvojot datus pār pārnovas starojumu, astronomi var aprēķināt ne vien attālums līdz zvaigznei, bet arī tās kustības ātrumu un laiku, kad sākusi izstaroties gaisma.

Pārnovas ir ļāvušas zinātniekiem izsekot visuma izplešanās ātrumam daudzos dažādos laikos kopš Lielā Sprādziena brīža. Astronomi bija pārliecināti, ka visā Visumā pastāvēšanas laikā tā izplešanās ātruma būtu pastāvīgi jāsamazinās, jo gravitācijas spēkam būtu jāvelk viss kopā. Tāpēc iestājies liels šoks, kad izrādījās, ka Visuma izplešanās ātrums samazinājies pirmos 7 miljardu gadu pēc Lielā sprādziena, bet pēc tam sācis palielināties un turpina to darīt pašlaik. Tas bija pretrunā ar trīs gadsimta ceturkšņus valdījušo mācību, un būtu ticami, ja visu matēriju bīdītu nezināms dabas spēks. Bet kuram ir vajadzīga liela telpa, lai pārvarētu gravitācijas spēku?

Einšteina kosmoloģiskā konstante bija tieši tas, kas vajadzīgs, tāpēc tā atgriezās. Mūsdienās gan to vairāk pazīst ar apzīmējumu „tumšā matērija”. Kaut arī neviens precīzi nezina, kas ir tumšā enerģija, ar pārnovām saistītie aprēķini liecina, ka 74% Visuma masas aizņem tieši tumšā enerģija, savukārt parasta atomāra matērija veido tikai 4 procentus.

Laika virziens[izmainīt šo sadaļu | labot pirmkodu]

Gadsimtiem ilgi dabaszinātni ir nodarbinājis jautājums, kāpēc laikam ir viens virziens. Arī te ir nozīme inflācijai, 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 inflācija. 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. Inflācija radīja visumu ar augstu kārtības pakāpi, un no šī stāvokļa laiks varēja sākt savu gaitu uz priekšu pretī lielākai nekārtībai.

Inflācija ir mūsdienu kosmologu svarīgākais ieguldījums nākotnes kosmonoloģijā. 2007. gadā Eiropas Kosmosa aģentūra (ESA) nosūtīs izplatījumā Plaka satelītu, kurš mērīs mikroviļņus ar vēl lielāku precizitāti.

Literatūra[izmainīt šo sadaļu | labot pirmkodu]

  • "Ilustrētā Zinātne" (2006. gada augusts): 26.—29. lpp.

Ārējās saites[izmainīt šo sadaļu | labot pirmkodu]

[1] NASA ziņojums par "primitīvām" galaktikām (angliski)