Definition big bang-teorin?

Cirka 13,7 miljarder år sedan, hela vårt universum har komprimerats till ramarna för en atom-nucleus. Känd som en singularitet, är detta ögonblicket innan skapelsen när tid och rum inte existerar. Enligt de förhärskande kosmologiska modeller som förklarar vårt universum, en outsäglig explosion, skapat biljoner grader i temperatur på någon måttskala, det var oändligt mycket tät, inte bara grundläggande subatomära partiklar och thus massa och energi men utrymme och tid själv. Kosmologi teoretiker i kombination med observationer av kollegorna astronomi har kunnat rekonstruera den ursprungliga tidsförlopp känd som big bang.
Quantum teori antyder att stunder efter explosionen på 10-43 andra, fyra naturkrafterna; stark kärnkraft, svag kärnkraft, elektromagnetisk och gravitation samman som en enda "super force"(Wald). Elementarpartiklar kallas kvarkar börjar sig band i trior, bildar fotoner, positroner och netrinos och skapades tillsammans med deras antiparticles. Det finns mycket små mängder av protoner och neutroner i detta skede; cirka 1 för varje en miljard fotoner, neutriner eller elektroner (Maffei). Tätheten av universum i sin första ögonblick av liv tros ha varit 1094g/cm3 med majoriteten av detta att vara strålning. För varje miljard par av dessa tunga partiklar (hadronernas grundläggande byggstenar) som har skapats, skonades en förintelse på grund av partikel-antipartikel kollisioner. De återstående partiklarna utgör en majoritet av vårt universum idag (Novikov).
Under denna skapelse och förintelse av partiklar genomgick universum en hastighet av många gånger snabbare expansion av ljus. Känd som inflationsdrivande epoken, universum i mindre än en tusendels sekund fördubblats i storlek minst hundra gånger, från en atom-nucleus till 1035 meter i bredd. Isotropiskt inflation i vårt universum slutar vid 10-35 andra som var nästan helt slät. Om det inte vore för en mindre förändring i densitet distribution av materia, teoretiker hävdar, skulle galaxer kunnat form (Parker).
Universum var på denna punkt en joniserat plasma där frågan och strålning var oskiljaktiga. Dessutom fanns det lika mycket partiklar och antiparticles. Förhållandet mellan neutroner och protoner om än litet är lika. När universum åldern till en hundradel av ett andra gamla neutroner börja sönderfalla i stor skala. Detta gör gratis elektroner och protoner att kombinera med andra partiklar. Så småningom kombinera de återstående neutronsna med protoner bildar tungt väte (deuterium). Dessa deuteriumkärnor kombinera i par och bildar helium kärnor. Bildandet av materia från energi görs möjligt av fotoner materialisera baryoner och antibaryons med deras efterföljande annihilations omvandla dem till ren energi (Maffei). På grund av dessa kollisioner och annihilations kunde fråga inte vara lönsamt för mer än några nanosekunder innan ett bombardemang av elektronerna skulle skingra dessa fotoner. Gillar vatten fångade inuti en svamp, strålning är så tät (1014g/cm3) att inget ljus syns. Känd som "Epok av senaste spridningen" temperaturen har nu sjunkit till endast 1013K med stark kärn, svaga kärnvapen och elektromagnetiska interaktioner nu kunna utöva sin kraft. (Chown)
När gasmolnet expanderar en full sekund efter den första explosionen och temperaturen i vårt universum har sjunkit till tio miljarder grader, har fotoner inte längre energi att störa skapandet av ärendet samt omvandla energi till materia. Efter tre minuter och en temperatur på en miljard grader, protoner och neutroner saktar ner tillräckligt för att möjliggöra nukleosyntes att äga rum. Atomkärnor av helium producerades som två protoner och neutroner varje bundna. För varje helium var kärnor bildas det ungefär tio protoner över vilket möjliggör tjugofem procent av universum att bestå av helium. Nästa viktiga fas av expansionen inträffade cirka trettio minuter senare när skapandet av fotoner ökat genom förintelse av elektron-positron par. Det faktum att universum började med något fler elektroner än positroner har försäkrad att vårt universum kunde bilda hur det har (Parker).
Universum 300.000 år börjar sedan att expandera och svalna till en temperatur på 10 000 ° K. Dessa villkor för helium kärnor att absorbera fria flytande elektroner och bildar helium atomerna. Under tiden väteatomer limning ihop och bildar litium. Det är här att tätheten av universum expanderat till den punkt där ljuset kan uppfattas. Tills detta punkt fotoner fortsatte att vara instängd i fråga. Slutligen utvidgningen tillåtet för ljus och materia att gå det skilda vägar som strålning blir mindre och mindre tät. Materia och strålning därför också, var bundna inte längre och de äldsta fossilen i universum föddes (Peebles).
I 1814 lanserades vetenskapen av spektroskopi av William Wollaston, en brittisk fysiker som märkte att det fanns flera mörka linjer som separerade kontinuerligt spektrum av solen. Dessa rader kom till uppmärksamheten av Joseph von Fraunhofer, en Tysk optiker och fysiker som noga ritade placeringen av dessa linjer. Sedan 1850 raffinerade Tysk fysiker Gustav Kirchhoff och Robert Bunsen spektroskopet. De sedan lärt sig att värma olika element till GLÖDNING och använder spektroskopet identifierat ett element motsvarande rader i den synliga delen av elektromagnetisk spectrum(Parker).
1863 Sir William Huggins, astronom tittade på en närliggande stjärna genom hans 8 tums refraktor med en spektroskopet bifogas. Han hittade vad han hade ursprungligen hypotetiska, samma spektrum rader som observerades i vår egen sol. Under tiden hade framgångsrikt Kirchhoff och Bunsen kategoriserade spektrum raderna av många element inklusive väte, natrium och magnesium. Huggins hittade dessa samma spektrum linjer i de avlägsna stjärnor han hade observerat och korrekt förutspådde att några av samma element som Kirchhoff och Bunsen katalogisering som härrör från dessa himlakroppar (Parker).
Christian Doppler av Österrike upptäckt tjugo år tidigare att frekvensen av en ljudvåg var beroende av den relativa positionen för källan till ljudet. När ett ljud flyttas från en observatör Sänker tonhöjden. Likaså om källan inte går men observatören är, kommer det att finnas en motsvarande förändring i vinkar frekvens av ljudet. Doppler teoretiserade om detta samma shift för ljusvågor men det var den franska fysikern Armand Fizeau som bevisade 1848 att när ett himmelska objekt flyttas från en observatör, raderna i det synliga spektrumet skulle flytta mot röda slutet. Omvänt, när ett objekt rör sig mot observatören, Fizeau fann att raderna i spektrumet förskjutits mot den blå änden. Huggins observerade en förskjutning i väte raderna i Sirius mot den röda änden av spektrumet. Denna "redshift" angav att Sirius var rör sig bort från oss. Några år senare kunde han beräkna den radiella hastigheten av stjärnan Sirius på mellan 26 till 36 miles per sekund (Parker).
Under 1890-talet började slicka observatoriet i Kalifornien att spåra och kartlägga radialhastigheten (som är faktiskt hastigheten vid vilken siktlinjen att stjärnan följs) av många stjärnor, samt gasformiga och planetariska nebulosor. Astronomer vid slicka beräknas mätningar av 400 stjärnor inklusive deras radiella hastighet och hastighet. 1910 Vesto Slipher mätt hastigheten av Andromeda Nebula på 300 km per sekund, trettio gånger högre än vad tidigare observerats. Fyra år senare hade Slipher bekräftat de radiella hastigheter av 14 spiral nebulaen, med en överväldigande majoritet till den röda änden av spektrumet. Toffels observationer visade att majoriteten av spiraler han mätt var rör sig bort från oss (Parker).
Omkring 1913 flera astronomer, bland dem Edwin Hubble, används en variabel stjärna kallas en Cepheid (en stjärna som fluktuerar i intensitet) att mäta deras period luminositet förhållande. Detta skulle exakt bestämma avståndet till någon Cepheid i observerbara närhet. Hubble blev den första astronomen att upptäcka en oberoende galaxen utanför ramarna för Vintergatan. Hubble beräknade distansera av Andromedagalaxen vara 900 000 ljusår bort; större än den förväntade storleken på vår egen galax. Med hjälp av radiell hastighet mätningar av Slipher tillsammans med Hubbles egna beräkningar började han märka en korrelation mellan distansera av dessa galaxer och deras radiella hastigheter. Beviset var avgörande: ju längre bort en galax var förhållande till jorden, den högre hastigheten hos den galaxen. Hubble hade ovedersägliga bevis på att universum expanderade. I 1936 Hubble hade fått data från galaxer mer än 100 miljoner ljusår bort. Rödförskjutningar på detta avstånd var så stora att det spektral-fodrar hade ändrat färg (Weinberg).
Som astronomer samlar in data om universum utifrån sina iakttagelser, var teoretiker upptagna utveckla modeller som försökte förklara kosmos. Nyligen utrustat med Albert Einstien relativitetsteorin, var Einstein en av de första att försöka en förklaring av det fysiska universumet. Einstein trodde universum att ha en statisk, uniform, isotrop spridning av materia. Einsteins egna beräkningar emellertid visat sig resultera i exakt motsatta, en oscillerande universum som hade potential för expansion eller kontraktion. Han var säker på att universum var stabil. Einstein var tvungen att ändra sin ursprungliga ekvationen. Han använde termen kosmologiska konstanten, som skapade ett sfäriskt, fyrdimensionell stängda universum (Parker).
Ungefär samtidigt används nederländsk astronom Willem deSitter Einsteins allmänna relativitetsteori för att utveckla sin egen modell av universum. Hans modell var unik i att det inte tog hänsyn till förekomsten av materia i universum. Men det gick utöver Einsteins modell eftersom det förutspås rödförskjutning, även om de Sitter kände att det var en illusion, och inte på gång koppla det till någon recession av himlakroppar. Den akademiska världen av 1930 inte helt omfamna antingen modellen av universum. Då var sekreterare i Royal Astronomical Society i England medvetna om att tre år tidigare, en av hans elever hade skrivit en teori om universum oberoende av de två stora krafterna i kosmologiska teorin. Georges Lemaître skapade en kosmologi som förutspådde ett universum som var för evigt i ett tillstånd av expansion. När denna teori var föryngras genom dess republication i tidskriften månatliga meddelanden, kom det till bordet en annan liknande teori som utformades tio år tidigare. Aleksander Friedmann, en rysk matematiker, analyserade Einsteins kosmologiska konstanten som producerade ett statiskt universum. Friedmann visat att det finns tre möjligheter för universum när den kosmologiska konstanten är noll. Om materien i universum är större än den kritiska tätheten, skulle universum slutligen kollapsa tillbaka till sig själv. Om inversen är korrekt skulle universum expanderar för evigt. Om universum var platt med en konstant på noll vid kritiska tätheten, skulle universum expanderar igen oändligt. Både Lemaître och Friedmanns lösningar analyserades av Einstein och avfärdades summariskt. Det var inte förrän Hubble hade visat att galaxer faktiskt vikande 1932 att Einstein var tvungen att släppa sin statiska universum modell. Den observationella bevis på att universum expanderade, kombinerat med modeller av Friedmann och Lemaître som förutspådde en expanderande universum unified kosmolog och astronomen överens. Den enda frågan förblev var om universum expanderar, vad var uppkomsten av denna expansion? Lemaître används termodynamikens andra lag som hans utgångspunkt. Baserat på antagandet att expansionen av universum var en ökning av störning i ett system, med ursprung från en singularitet av neutroner, skulle denna primordial kärnan då explodera där en ökning av entropin i universum skulle vara uppenbart. Den 9 maj 1931, Lemaître publicerade sin teori om universum i tidskriften Nature och det möttes med allmän skepticism (Parker).
George Gamow tolkat på Lemaîtres arbete, med de senaste upptäckterna i kvantteorin. Lemaître formulerade sin modell som bygger på teorin att en jätte kärna började entropi, bryta ner till enskilda beståndsdelar. Gamow trodde att en kärna som innehåller inte bara neutroner men protoner och elektroner samt var utgångspunkten. På grund av den mycket höga strålningsenergi i det tidiga universum, skulle temperatur vara mer än en miljard grader Kelvin. Fem minuter gammal, Gamow spekulerade, detta universum skulle ha partiklar som inte kunde kombinera. Men eftersom utvidgningen började temperaturen skulle minska och kärnfusion skulle inträffa. Atomer skulle utgöra som protoner och neutroner skulle fästa sig på varandra. Gamow sedan Hypothesized att alla element i universum skapades vid denna tid. Ett år senare men bevisades det att Gamows matte inte stå upp för granskning som visades det atom-samlas 5 inte kunde ha skapats från denna primordial kärnan, samt massa 8 (Gribbin).
Även om alla element i universum var bevisat att inte ha sitt ursprung från den ursprungliga eldklot, tog teorin fart tills det fått en värdig kontradiktoriskt kosmologi känd som Steady State teorin. Fred Hoyle (som förtvivlat myntade termen Big Bang) och hans kolleger konstruerat en modell av universum som var allmänt accepterade av religiösa skäl om inte så mycket för dess vetenskapliga hypotes. Hoyle föreslog att universum är oändligt mycket gammal och har varit i ett stabilt tillstånd förutom att universum expanderade faktiskt. Men skapas galaxer inte vikande från varandra men utrymmet ständigt mellan galaxer. För den genomsnittliga tätheten att förbli konstant, föreslog Hoyle att frågan skulle skapas i dessa nya områden där utrymme expanderade. Endast en väteatom behövs skapas varje år i ett område stort som en 100 meter kub för utvidgningen. Denna spontana generation av materia Hoyle hävdar skulle göra det möjligt för bildandet av nya galaxer mellan förfäderna och universum skulle behålla sin distansträning. Det skulle då följa att astronomer skulle kunna upptäcka unga galaxer i mitt av mycket gamla. Detta var en av de många motsägelser som hittades med Steady State teorin. I 1950-talet tog Steady State teoretiker ett hårt slag när radio galaxer upptäcktes visar, konsekvent med big bang kosmologi, galaxer utvecklats och var mycket aktiv miljarder år sedan (Parker).
Slutligen observerades de empiriska bevisen big bangers hade förutspått 1965 av Bell Labs Arno Penzias och Robert Wilson. Robert Dicke av Princeton University var först att söka efter fossila lämningar av big bang. Dicke föreslog att Big bang utgick från ett tidigare universum och att temperaturen överstiger en miljard grader var nödvändigt att skapa vårt nya universum. Denna energi skulle i sin tur producera en oändligt liten mängd strålning som ska vara mätbara i dag. Baserat på Plancks lag att alla kroppar avger energi som kan dokumenteras på en elektromagnetisk diagram. Beroende på längden av vinkar kan de registrera någonstans från röntgen till radiovågor och allt däremellan. Ett organ utsläpp av energi är knuten till delarna av kroppen, mängden yta av kroppen och yttemperaturen på kroppen. Kroppen som avger den största mängden energi är en så kallad svart kropp. Med Plancks svart kropp kurva som layoutstöd Dicke teori var att den kosmiska bakgrundsstrålningen från Big Bang bör vara ca 3° över absoluta nollpunkten. Dickes kollega Jim Peebles också slutsatsen att när den Fireball resterna kyls till 3000° Kelvin kärnor skulle kunna ta form och helium kunde till formuläret från väte. Detta lämnade ett universum med en blandning av ungefärligt 75% väte och 25% helium, som liknar den samma beloppet av helium finns i Sun. Peebles slutsatsen att sedan de två vanligast förekommande element i universum skapades när universum var vid 3000 K och sedan dess har Universum expanderat med en faktor 1000 strålningen från Big Bang bör ha en temperatur på ca 10° K. Senare förbättringar dessa ekvationer reviderade den beräknade temperaturen till 3° K. Dicke och Peebles var övertygad om att det instrument skulle vara de första att upptäcka denna kosmiska bakgrundsstrålningen (Parker). Samtidigt var Penzias och Wilson upptagna försöker mäta strålning från Vintergatan. De förträngning i på deras källa när de lämnades med ett ljud som störa deras signal. Detta buller härstammar från kosmisk strålning och hade en temperatur på 3° K. Det tycktes vara kommer in från alla håll och aldrig fluktuerade. Med deras ursprungliga forskning skadad på grund av oförklarliga buller avgick de sig att skriva ett papper på detta oförklarliga fenomen. Månader senare upptäckte Penzias att Peebles gruppen letade efter denna relik strålning utan framgång. Efter ytterligare granskning insåg de att Penzia och Wilson hade snubblat på den enda viktigaste upptäckten som bekräftade Primordial big bang Explosion(Parker).
Big Bang teoretiker gjort flera förutsägelser som så småningom stödde teorin. Först är Hubbles observationer av rödförskjutning-distansförhållande. Detta förhållande gör att vi kan approximera åldern av universum med hjälp av tre separata himlakroppar att alla till samma relativa resultat. Hubble används s.k. "standard ljus" att bygga en "kosmiska avstånd trappan." Av känt distansera av vissa himlakroppar som han skulle kunna stegvis bygga en ålder för universum. Dessa standard ljus var: cepheid variabler i grannskapet galaxer; ljusa stjärnor i mer avlägsna galaxer och i galaxer miljoner av parsek bort, ljusstyrkan i galaxen sig användes som ett standard ljus (Maffei)
Centrala frågan om åldern av universum är två viktiga teoretiska begrepp. Hubble konstant hänvisar till hur snabbt hastigheter av galaxerna ökar med avståndet från jorden. Det finns en rasande debatt om värdet av denna konstant från 50 Km/SEK per Mpc (Mpc är en Megaparsec, cirka 3 miljoner ljusår) till 100 Km/SEK per Mpc. Detta förklarar skillnaderna i ± 5 miljarder år uppskattningen för åldern av universum. Den andra konstanten av betydelse kallas q som definierar retardation expansionen av universum. Beroende på den kritiska tätheten av universum att denna q konstant bygger, universum kommer att visa sig vara antingen oändligt expanderar som i den platta och öppen modeller eller en oscillerande stängd universum; en big crunch/big bang universum som i slutändan kommer att kondensera tillbaka in i en singularitet och påbörja processen hela again(Weinberg). Hubbles succesor Allan Sandage förutspådde ett slutet universum när han ritade ett antal radiosände galaxer många miljarder ljusår bort. Bevisen för detta slutna universum var snabbt challanged några år senare och så småningom föll i onåd. I dag förblir Hubble konstant och q konstanten de två viktigaste obesvarade problem i modern kosmologi.
Observationer har också stött förutsägelser av teoretiker att vissa delar kunde endast har skapats stunder efter big bang. Baserat på förhållandet mellan mängden helium i universum och antalet olika typer av partikel "familjer" forskare slutsatsen att det finns en neutrino per familj av partiklar. På grund av den nuvarande energitätheten av universum kommer det att finnas en motsvarande mängd helium produceras. Detta skapar i sin tur olika typer av neutriner. När den förväntade mängden neutrinos motsvarade var vad observerades det en seger för den stora smällen cosmology(Wald).
Efter upptäckten av den kosmiska bakgrunden strålning i 1965 forskare var ivriga att utöka deras forskning in outerspace med hjälp av konstgjorda satellit kretsar runt jorden. Från denna utsiktspunkt en unimpeaded möjlighet att studera detta fenomen skulle göras tillgängliga och i slutet av 1989 kosmiska bakgrund Explorer (COBE) var redo för action. COBE bestod av tre separata experiment. Det första instrumentet var känd som FIRAS, en akronym för långt infraröd absoluta spektrometern. Detta instrument har skapats för att bekräfta forskningen samlat tidigare att bakgrundsstrålningen verkligen har en svart kropp spectrum (Hoverstein).
Nästa fråga COBE försökt besvara var, är bakgrundsstrålningen samma temperatur i alla riktningar? Big bang-teorin säger att för att få massa kondenseras och bildar galaxer, det måste vara inhomogeneties kvar från Big bang som kommer att kunna upptäckas. Differentiell mikrovågsugn radiometer (DMR) var utformad för att upptäcka anisotropy fluktuationer på skalan 30 miljondelar av en grad. Inflationen teori förutspådde sådana svängningar och att quantum processer vid arbete i primordial skede av big bang (när universum var storleken på en proton) tillåtet för moln av materia att kondenseras till galaxer (Sawyer).
Sista försöket var känd som DIRBE. Differentiell IR bakgrund experimentet utformades för att undersöka det bortersta hörnen av universum; uppemot 15 miljarder ljusår från jorden, och lagra data på IR-ljuset av dessa primordiala galaxer. DIRBE data fortsätter att ackumuleras med inga slutsatser har dragits hittills (Gribbin). John Mather från University of California at Berkeley ansvarade för FIRAS experimentet. Långt efter COBE var placerad i omloppsbana kom inte de spännande data som var efterlängtad och mycket efterlängtade. Bakgrundsstrålningen passar svart kropp kurvan till inom 1%. Sextiosju separat poäng av frekvens erhålls genom COBE fir spektrumet som teoretiska svart kropp perfekt! Observation hade exakt bekräftat vad Big bang kosmologi länge sedan hade förutspått. Detta fynd visat sig vara den enkla biten (Parker).
George Smoot och hans kollegor också från Cal Berkeley tog tre mödosamma år att gå igenom miljarderna bitar data som DMR. Hans uttalande på den 23 april 1992 på det årliga mötet för American Physical Society i Washington, D.C. sa det bäst: "svenska inte har tillräckligt många superlativer... förmedla historien [om resultaten], har vi observerat... 15 miljarder år gamla fossil som vi tror har skapats vid födelsen av universum." (Parker). Även om temperaturvariationer var mindre än trettio miljondelar av en examen i variation, var dessa områden av temperatur och densitet växling mer än 500 miljoner ljusår i bredd. Dessa minimala perbutations som bildades under den stora smällen var mycket densiteten som behövdes för att skapa galaxer och därmed livet självt (Noble).
Big Bang-modellen som försöker förklara universums struktur och ursprung innehåller talanger av många individer genom loppet av mer än 150 år av studien. Många gånger möter motstånd liknar Galileo och Copurnicus, dessa kosmologer använde en deduktiv metod lösa den största frågan i historien av vetenskap. Rön och observationer av dessa emminant forskare tvingade dem att dra de slutsatser som de anlände. Varje förutsägelse att kvantfysik och teorier relativitetsteori har gjort när det gäller ursprung och om universum har antingen varit observerade och bekräftade eller inte visat sig vara falska. Det är i huvudsak anledningen till att vi har kommit fram till denna kosmologi, fullt övertygad om att vår vetenskap och teknik kan titta tillbaka i tiden 15 miljarder år och se födelsen av vårt universum.