Büyük Patlama Hakkında İlk 5 Efsaneyi Batırmak

Bir patlama bülteniyle başlangıçlara kaydolun

En büyük soruları cevaplarken Dr. Ethan Siegel ile evreni gezin.

Bugün bildiğimiz evren, büyük kozmik uçurumun karşısındaki yıldızlar ve galaksilerle dolu, sonsuza dek yoktu. Bizim için görülebilen birkaç trilyonlarca galaksi olmasına rağmen, on milyarlarca ışık yılı mesafelerini kapsamakla birlikte, ne kadar uzakta görünebileceğimizin bir sınırı var. Burada JWST döneminde bile, şimdiye kadar gördüğümüz en uzak galaksi, ışığı evrenin sadece 280 milyon yaşında olduğu bir zamana karşılık gelen 34 milyar ışık yılı uzaklıkta, mevcut yaşının sadece% 2’si. Neden bundan daha uzak göremiyoruz? Bunun nedeni, evrenin sonlu olması değil – aslında, sonuçta sonsuz olabilir – daha ziyade sınırlı bir süre önce meydana gelen bir başlangıcı olduğu için: Büyük Patlama.

Yapabileceğimiz gerçeği:

• Bugün evrenimize bak
• genişlediğini ve soğutulduğunu gör,
• ve kozmik kökenlerimizi gözlemlediğimizden çıkar,

20. yüzyılın en derin bilimsel başarılarından biridir. Evren, yaklaşık 13.8 milyar yıl önce sıcak, yoğun, madde ve radyasyon dolu bir devletten başladı ve o zamandan beri genişliyor, soğutuyor ve çekiliyor. Ancak Big Bang’in kendisi çoğu insanın düşündüğü gibi çalışmaz. İşte bunun yerine gerçek olanın arkasındaki bilim ile birlikte insanların büyük patlama hakkında inandıkları ilk 5 efsane.

Bu nadir renkli fotoğraf, 16 Temmuz 1945’te New Mexico’daki Trinity bölgesindeki ilk nükleer patlamayı gösteriyor. Bu nükleer patlama, insanlığı atom çağına başlattı ve ateş topu patlamadan sadece 16 milisiye sonra havaya 200 metre yükseldi. Eğer zeminin varlığı veya mantar bulutunun ısıya bağlı hava akışı olmasaydı, patlama neredeyse mükemmel bir simetrik küre olarak görünecektir.

1.) Büyük patlama, evrenimizi başlatan patlamadır. Evrendeki uzak bir galaksiye her baktığımızda ve ışığının ne yaptığını ölçmeye çalıştığımızda, aynı desenin ortaya çıktığını görüyoruz: galaksi ne kadar uzak olursa, ışığı sistematik olarak daha uzun ve daha uzun dalga boylarına kaydırılır. Bu nesneler için gözlemlediğimiz bu kırmızıya kayma, öngörülebilir bir desen izler ve mesafenin iki katı, ışığın dalga boyunun iki kat daha büyük bir miktar değişeceği anlamına gelir. Ne kadar uzağa bakarsak, bir nesnenin kırmızıya kayması o kadar büyük olur, bu da bizden çok daha hızlı bir hızda geri çekildiğini gösterir.

Kodlanmış olan budur Hubble Yasası (veya Hubble-Lemaître Yasası): Uzak bir nesnenin çıkarılan durgunluk hızı ile bizden ölçülen mesafesi arasındaki bir ilişki, Hubble sabiti, mesafenin bir fonksiyonu olarak durgunluk oranını gösterir. Tıpkı sizden hızlanan bir polis arabası, sizden ne kadar hızlı hareket ederek daha düşük perdeli olarak ses çıkaracak gibi, bir nesnenin bizden olmak için mesafesini arttırırsak, ışığının ölçülen kırmızıya kayması o kadar büyük olur. O halde, daha uzak nesnelerin bizden daha hızlı hızlarda uzaklaştığını ve bugün gördüğümüz her galaksiyi geçmişte tek bir noktaya kadar izleyebileceğimizi düşünmek çok mantıklıdır: muazzam bir patlama.

Uzay (hamur) genişledikçe göreceli mesafelerin arttığı genişleyen evrenin ‘kuru üzüm ekmeği’ modeli. Her iki kuru üzüm birbirinden uzaklaşırsa, gözlemlenen kırmızıya kayma o kadar büyük olur. Genişleyen evren tarafından öngörülen kırmızıya kayma mesafesi ilişkisi gözlemlerde ortaya çıkar, ancak kozmik genişlemeyi ölçmek için farklı yöntemler farklı, uyumsuz sonuçlar verir.

Ancak bu, büyük patlamanın gerçekte ne olduğu hakkında tam bir yanılgıdır. Bu galaksilerin evrenin kendisi içinden geçmesi değil, daha ziyade evrenin kendisini oluşturan alan dokusu genişliyor. Tıpkı kuru üzüm, mayalanan bir hamur topundaki mesafeleriyle orantılı olarak geri çekiliyor gibi göründüğü gibi, galaksiler evren genişledikçe birbirinden geri çekiliyor gibi görünüyor. Kuru üzümler hamura göre hareket halinde değildir; Genişleyen hamurun etkisi onları birbirinden ayırıyor gibi görünüyor. Evrenimizde, evrenin genişlemesinde yakalanan galaksiler (veya galaksi grupları/kümeler) kuru üzüm gibi davranırken, hamurun kendisi şeffaf ve görünmez olsaydı, genişleyen uzay kumaşımıza karşılık gelecektir.

Başka bir deyişle, “ilk patlama” fikrinin Big Bang ile hiçbir ilgisi yoktur. Galaksilerin birbirinden uzaklaşmasına neden olan bir ilk patlama değildi, daha ziyade Einstein’ın genel göreliliği tarafından yönetilen genişleyen evrenin fiziği. Gerçek bu Genel göreliliğe ağırlık yasamız olarak itaat eden bir evrenimiz varve evrenimizin eşit olarak enerji ile doldurulması (en azından büyük ölçekli ortalamada), bu da (içinde bulunan galaksilerle) genişlemesine neden olur. Hiçbir patlama yoktu, sadece evrenimizde yer alan her şeyin kümülatif yerçekimi etkilerine dayanarak gelişen hızlı bir genişleme.

Sanatçının Logaritmik Ölçek Gözlemlenebilir Evrenin anlayışı. Sıcak Big Bang: 13.8 milyar yıldan beri meydana gelen zamanla ne kadar geride görebileceğimize veya (evrenin genişlemesi dahil) 46 milyar ışık yılı ile sınırlı olduğumuzu unutmayın. Evrenimizde yaşayan herkes, herhangi bir yerde, bakış açılarından neredeyse aynı şeyi görür.

2.) Uzayda, Big Bang ‘etkinliğini’ izleyebileceğimiz bir nokta var.. Benzer şekilde, Büyük Patlama Etkinliğine “Merkez Noktası” yok. Başlangıçta, her şey her şeyden uzaklaşıyor gibi görünüyorsa, her şeyi aynı yerde ortaya çıktıklarında geri çekebileceğimizi düşünebilirsiniz. Tıpkı bir el bombasının, tüm şarapnelin kökenli olması gereken merkezi bir konuma sahip olduğu gibi, evrenin benzer bir menşe noktasına sahip olması gerektiğini düşünmek mantıklıdır. Tüm galaksilerden gördüğümüz hareketleri izlersek “Merkez Noktasına” geri dönün, Bunun nerede olduğunu ve kendisini işaret edip etmediğimizi merak edebilirsiniz.

Ancak bu soruyu sormak bile bir yanlış anlama dayanıyor: Big Bang’in bir patlama gibi olduğu yanlış bir kanı. Yeni kapsadığımız gibi, evren patlamadı; Sadece genişledi. Genişleyen bir evrende, uzaydaki her yer, en azından, yeterince büyük bir hacmini düşündüğünüzde aynı görünür. Büyük ölçekli ortalamada, evren aynı yoğunluğa, aynı sıcaklığa ve her yerde aynı sayıda galaksiye sahip gibi görünmektedir. Ve eğer zamanında tekrar tahmin ederseniz, daha sıcak ve daha yoğun görünecektir, ancak bunun nedeni uzayın kendisinin de gelişmesi ve genişlemesidir.

Gözlemlenebilir evren bizim bakış açımızdan her yöne 46 milyar ışık yılı uzatılabilir, ancak bu bizim bakış açımıza özgü değildir; Tüm yerlerdeki tüm gözlemciler aynı şeyi yaşayacaklardır. Kesinlikle daha fazlası, gözlemlenemeyen evren, tıpkı görebildiğimiz şeylerin sınırlarının ötesinde bizim gibi. Algıladığımız şey, evrenin geometrisinden ziyade, bugün gözlemlenen ışığın yayıldığından bu yana geçen süreye göre belirlendiğinden, belirli bir noktayı merkezle ilişkilendirmek haksızlıktır.

Evreni zaman içinde geriye doğru tahmin ettiğimizde, geçmişte ve ne kadar daha küçük ve daha yoğun olması gerektiğini hesaplayabiliriz. Ancak bu sadece uzaydaki konumumuz ve gözlemleyebileceğimiz evrenin bir kısmı için geçerli değildir; Tüm gözlemciler için ve her zaman, evrenin kendimiz gözlemleyebileceğimiz bölümünde yaşayan ve hatta ötesinde yaşayan gözlemciler de dahil olmak üzere her zaman geçerlidir. Her noktada her bir gözlemcinin, tıpkı her alan bölgesinin benzer büyüklükteki diğer alanlarla aynı büyük ölçekli özelliklere sahip olduğu gibi, her noktada merkezde olduğu gibi eşit bir iddiaya sahiptir.

Büyük patlama tek bir noktada olmadı, daha çok her yerde meydana geldi ve sınırlı bir süre önce yaptı. Evrendeki daha uzak bölgelere tekrar baktığımızda, zamanında geriye bakıyoruz ve evrenin sunduğu diğer her perspektiften diğer her gözlemci de öyle. Evrenin tekrarlayan yapıları olmaması, tanımlanabilir bir kenar göstermemesi ve tercih edilen bir yönü yoktur, hepsi büyük patlama için belirli bir başlangıç ​​noktası olmadığına dair kanıt sunar: her yerde, tercih edilen merkezi bir yer olmadan gerçekleşir. Aslında, bilgimizin en iyisi, Evren sonsuz bir evrenden ayırt edilemez; Sınırlarımız tamamen görebileceğimiz bilgilere dayanmaktadır.

Bugün gördüğümüz yıldızlar ve galaksiler her zaman yoktu ve ne kadar geri dönersek, daha sıcak, daha yoğun ve daha tek tip devletlere giderken evrenin görünen bir tekilliğe daha yakın olursa. Bununla birlikte, bu ekstrapolasyonun bir sınırı vardır, çünkü tekilliğe geri dönmek cevaplayamadığımız bulmacalar yaratır.

3.) Evrenimizdeki tüm konu ve enerji, büyük patlamada sonsuz sıcak, yoğun bir durum haline getirildi. Evren bugün genişliyor ve soğuyorsa, geçmişte daha küçük, daha yoğun ve daha sıcak olmalıdır. Kozmolojinin bu yönü doğrudur; Sezginiz sizi yoldan saptırmadı. Aslında, hayal gücünüzün sizi alabileceği kadar, sonsuz bir şekilde küçük olan bir boyut elde edene kadar, keyfi olarak yüksek yoğunluklara ve sonsuz sıcaklıklara yol açana kadar hayal edebilirsiniz. Tekillik kavramını düşünmenizi sağlar: kozmosun tüm maddesi ve enerjisi tek bir noktaya sıkıştırıldı. Belki de, bu büyük patlamanın “anında” olduğunu düşünürsünüz: sonsuz sıcak, yoğun bir durum.

Bu tamamen yanlış değil, ama büyük patlamanın eski, eski bir kavramı. Önemli olarak, bu bir hipotez ve evrenimizin nihayetinde nasıl ortaya çıkabileceği hakkında sadece bir fikir. Her ne kadar böyle görünmese de, bu hipotezi test etmenin birkaç yolu var!

Öncelikle, bugün gördüğümüz, kozmik mikrodalga arka planında bırakılan sıcaklık dalgalanmaları, Planck enerji ölçeğine kıyasla maksimum sıcaklık kadar büyük dalgalanmalara sahip olacaktır. Bu dalgalanmalar sadece kozmik ufuk (ve daha küçük) ölçeğine kadar görünecektir. Ve sadece manyetik tekeller gibi yüksek enerjilerde görünen, evrenimizi dolduran kalıntılar bile olmalı. Bunların üçü de bu şekilde tekillikten kaynaklanan Big Bang’in tahminleridir.

İlk CMB uydu olan Cobe, sadece 7º ölçeklere kadar dalgalanmaları ölçtü. WMAP, beş farklı frekans bantında 0.3 ° ‘ye kadar çözünürlükleri ölçebildi, Planck toplamda dokuz farklı frekans bandında sadece 5 arcminute (0.07 °) ölçüyor. Bu boşluk tabanlı gözlemevlerinin tümü kozmik mikrodalga arka planını tespit etti, bunun atmosferik bir fenomen olmadığını ve kozmik bir kökene sahip olduğunu doğruladı. İçindeki dalgalanmaların büyüklüğü sadece 1-bölüm-30.000’dir; daha büyük değil.

Bunu test etmenin yolu, Big Bang’den artık parıltıya, bugünün kozmik mikrodalga arka planına bakmak ve görmek Hangi kritik bilgiler dalgalanma kalıplarına kodlanır?. 1990’larda, 2000’li ve 2010’larda, insanlık Cobe, WMAP ve Planck misyonlarından büyük sonuçlarımızı aldı. Büyük patlamadan artık parıltılı dalgalanmaları araştırdılar: kozmik mikrodalga arka planı ve bu kesin imzaların aramasına yardımcı oldular. Buldukları, diğer deneylerle birlikte (manyetik monopoller için doğrudan aramalar gibi), evrenin hiçbir zaman Planck enerji ölçeğinin ~% 0.03’ünden daha büyük sıcaklıklara ulaşmadığını gösterdi.

Sıcaklık dalgalanmaları sadece 1-parçalı 30.000’dir: sonsuz sıcak bir durumun öngördüğünden binlerce kat daha küçük. Kozmik ufuktan daha büyük ölçeklerde dalgalanmalar görünür (sözde süper-horizon dalgalanmaları), hem WMAP hem de Planck tarafından sağlam bir şekilde ölçülür ve polarizasyon verilerinde özellikle güçlü görünmektedir. Ve manyetik tekeller ve diğer ultra enerjili kalıntılar üzerindeki kısıtlamalar, evrenimize ultra yüksek bir enerji geçmişini şiddetle sevmez. Sonuç? Evrenin geçmişte bir sıcaklık kesimi vardı, sıcak büyük patlamanın en sıcak aşamalarında bile asla kritik bir eşiğin üzerine çıkmadı.

Bir balon şişirdikçe, yüzeyine yapıştırılmış herhangi bir sikkenin birbirinden uzaklaştığı görülür, “daha ​​uzak” paralar daha az uzak olanlardan daha hızlı gerilemektedir. Balonun kumaşı genişledikçe dalga boyu daha uzun değerlere kadar uzandığından herhangi bir ışık kırmızıya kayar. Bu görselleştirme, genişleyen evren bağlamında kozmolojik kırmızıya kaymayı sağlam bir şekilde açıklar. Eğer evren bugün genişliyorsa, bu daha küçük, daha sıcak, daha yoğun ve daha üniforma olduğu bir geçmiş anlamına gelir: sıcak büyük patlamanın resmine yol açar. Mümkün olduğunca tahmin ederseniz, sonsuz bir süre önce sonsuz sıcaklıklar ve yoğunluklarla sarılırsınız: tekillik için gereken koşullar.

4.) Büyük Patlama, evrenimizin tekillikten başlamasını kaçınılmaz hale getiriyor. Evren, sıcak büyük patlamanın ilk aşamalarında maksimum bir sıcaklığa ulaşsa bile, yine de bu sıcak aşamadan önce gelen ve kuran bir faz olması gerekiyordu. Gözlemlediğimiz şeyle tutarlı olmak için:

• Evreni, düzden ayırt edilemez olacak şekilde gerdi,
• Süper-horizon ölçekleri de dahil olmak üzere, evren boyunca gerilen kuantum dalgalanmaları yaratılmıştır.
• Dalgalanmaların da düşük olduğu yerlerde: Daha önce bahsettiğimiz 30.000 1-Party,
• dalgalanmaların sabit bir entropi olduğu yerlerde (yani adyabatikti),
• Ve sonra sıcak büyük patlamamıza eşit olan parçacıklar ve antipartiküllerle dolu sıcak, yoğun bir durum yarattı.

Big Bang için tüm bu başlangıç ​​koşullarını ayarlayan teori, kozmik enflasyonVebirden fazla kanıt hattı ile doğrulandı. Büyük Patlama, en azından bildiğimiz gibi evrenimizin nereden geldiğini açıklayabilir, ama Evrenimiz hakkında söyleyebileceğimiz ilk bilimsel şeyi tanımlamıyor hiç.

Mavi ve kırmızı çizgiler, uzay -zaman da dahil olmak üzere her şeyin T = 0 zamanında başladığı “geleneksel” büyük patlama senaryosunu temsil eder. Ancak enflasyonist bir senaryoda (sarı), asla tekil bir duruma gittiği tekilliğe ulaşmayız; Bunun yerine, geçmişte sadece keyfi olarak küçük olabilirken, zaman sonsuza dek geri dönmeye devam ediyor. Enflasyonun sonundan itibaren sadece bir saniyenin son mini fraksiyonu, bugün gözlemlenebilir evrenimize giriyor. Şimdi gözlemlenemeyen evrenin boyutu, sıcak büyük patlamanın başlangıcında yaklaşık 1 metreküpten daha küçük olamazdı.

Bununla birlikte, bir kez, büyük patlamadan önce gelen ve önüne çıkan bir kozmik enflasyon dönemini kabul ettiğinizde, tekilliğin varlığı, artık kaçınılmaz değil. Aslında, kozmik enflasyonu kabul etmek zorunlu olarak bu aynı zamanda anlaşılmayı getirir: eğer enflasyon büyük patlamadan önce gelirse, geçmişte sonlu bir noktada sonsuz bir boyuta ulaşan bir evrene yol açmaz. Evren enflasyon sırasında katlanarak genişler, bu da saati ileriye doğru çalıştırırsanız belirli bir zaman ölçeğinde iki katına çıkacağı anlamına gelir, ancak geriye giderseniz aynı zaman ölçeğinde sadece yarıya indirir ve yarıya indirir. Kaç tane “yarıya” alırsanız alırsanız alın, asla sıfıra ulaşmazsınız.

Hala mümkün ve Belki de muhtemelkozmik enflasyon gerçekleşmeden önce var olan ayrı bir aşama vardı. Eğer durum buysa, o zaman belki de evrenin tekillikten başlama olasılığını itiraf etmeliyiz. Ne yazık ki, bu hipotezi sınırlı olduğumuz gözlemlenebilir evren ile gözlemleme, ölçme veya test etme yolumuz yok. Sadece sahip olduğumuz gözlemsel kanıtlara dayanarak, enflasyonun bir saniyenin en azından küçük bir kısmını sürdüğünü, tekilliğin kendisine veya sıcak büyük patlamanın başında olmadığını ve Enflasyon başlamadan önce ne geldiğini bilmiyoruz.

Evrenin çok uzak kaderleri bir takım olasılıklar sunar, ancak karanlık enerji gerçekten sabitse, verilerin en iyi gösterdiği gibi, kırmızı eğriyi takip etmeye devam eder ve bir patlama ile sıklıkla tarif edilen uzun vadeli senaryoya yol açar: evrenin nihai ısı ölümü. Ancak karanlık enerji zaman içinde güçlenebilir, zayıflatabilir veya tersine işaret edebilirse, tüm bahisler kapalıdır ve büyük bir krizi veya büyük bir rip gibi alternatif olasılıklar aniden boldur.

5.) Uzay, zaman ve fizik yasaları büyük patlamadan önce yoktu. Gerçek bir tekilliğe veya sonsuz yoğunluklara ve sıcaklıklara ulaştığınız bir yere ulaşmış olsaydınız, fizik yasaları bozulur. Genel görelilikte, tekillikler, uzay -zamanın varoluşa girebileceği veya çıkabileceği yerlerdir ve uzay -zaman olmadan, içinde var olabilecek fiziksel evreni yöneten kurallar bile yoktur.

Ancak sıcak büyük patlamanın en erken aşamalarından bile bahsettiğimizde tekilliğe ulaşmıyoruz, ne de ondan önceki kozmik enflasyon döneminden bahsettiğimizde tekilliğe ulaşmıyoruz. Aslında, tüm bu aşamalar sırasında Planck ölçeğinin çok altında kalıyoruz ve bu nedenle fizik yasaları bozulmuyor. Bu, bildiğimiz yasaların, enflasyonist aşamada büyük patlamayı kuran ve bu da var olması gerektiği anlamına gelir ve Hem alan hem de zaman var olmalı ilave olarak. Bununla birlikte, enflasyon hakkındaki bilgimiz ve tahminlerinin gözlemsel doğrulanması ile yeni sorular ortaya çıkmaktadır. Bunlar şunları içerir:

1. Enflasyonist devlet sabit bir durum muydu, yoksa devam ederken özellikleri değişti mi?
2. Enflasyon sonsuz bir süre, geçmişe sonsuz ya da sadece sınırlı bir süre sürdü ve eğer öyleyse ne kadar sürer?
3. Enflasyon, her ikisi de evrenin üstel bir oranda genişlemesine neden olduğu için, bugün evrene hakim olan karanlık enerjiye bağlı mı?

Bu diyagram, ölçeklendirmek için, evreninize madde, radyasyon veya uzayın doğasında (yani enflasyon veya karanlık enerji hakimiyeti sırasında) egemense, uzay -zamanın eşit zaman artışlarında nasıl geliştiğini/genişlediğini gösterir. En alt senaryo, hem karanlık enerji (bugün) hem de enflasyon (erken zamanlarda) yoluyla üstel genişlemeye karşılık gelir. Genişlemeyi ‘mevcut alan germe’ veya ‘yeni alanın yaratılması’ olarak görselleştirmenin her durumda yeterli olmayacağını unutmayın.

Meselenin gerçeği, bu soruların hiçbirinin cevabını kesin olarak bilmiyoruz. Sonuçta, evrenimizde prensip içi gözlemlenebilir izleri bile bırakan enflasyonun sadece son bir fraksiyonu. O andan önce meydana gelen herhangi bir şey veya son ~ 10^-32 Enflasyonun saniyeleri, gözlemlenebilir imzalarını tam anlamıyla şişirdi. Enflasyonist uzayda zamanların tam/eksik doğası hakkında tartışmaya yönelik teorik girişimler bile somut değildir; Enflasyonun sonsuza dek sürmemesi ve tekil bir başlangıcı olması mümkündür, ancak sonsuza dek katlanması ya da hatta döngüsel bir karaktere sahip olması da mümkündür.

Binlerce yıl önce, filozoflar zamanın nasıl başladığı için üç ana olasılığı düşündü:

• zaman her zaman var olmuştur
• Geçmişte sonlu bir süre önce meydana gelen bir etkinlikte zaman başladı,
• veya zamanın kendisi doğada döngüseldir.

Büyük patlama ve ondan önce gelen ve kurduğumuz şey hakkında öğrendiğimiz her şeyle bile, bu eski filozofların sorusunu cevaplayan sağlam bir sonuç çıkarmak imkansız. Gözlemlenebilir evrenimizde bilmek için yeterli bilgimiz yokzamanın sonlu veya sonsuz olup olmadığı; İster döngüsel ister doğrusal olsun. Ancak büyük patlamadan önce bile, aynı cevapları enflasyonun başlangıcına veya ondan önce gelene kadar tahmin edemesek bile, mekan, zaman ve fizik yasalarının kesinlikle var olduğundan emin olabiliriz.

Bununla birlikte, bu cevaplar olmasa bile, şimdi büyük patlama hakkında belki de en yaygın beş efsane ve yanılgıyı fethettiniz. Artık modern kozmolojinin sunduğu en iyi bilimsel gerçekleri biliyorsunuz.

Bu makale İlk olarak Şubat 2020’de yayınlandı. 2025 yılında güncellendi.