Veliki prasak – o čemu se zapravo radi?

Pitanje nastanka i evolucije Univerzuma je verovatno za mnoge najinteresantije naučno pitanje, a prvi odgovori potiču još od drevnih civilizacija nekoliko milenijuma pre nove ere. Iako još uvek nemamo odgovor na sva pitanja koja smo postavili i koja se tiču Univerzuma, prešli smo dalek put od Anaksagore do moderne kosmologije i najboljeg odgovora na pitanje evolucije Univerzuma – Velikog praska, jedne od najuspešnijih naučnih teorija u kontekstu objašnjavanja onoga što opažamo i uspešnih predviđanja.

U ovom tekstu ćemo se pozabaviti upravo teorijom Velikog praska. Videćemo šta je u stvari Veliki prasak i koji su to dokazi koji su Veliki prasak učinili najboljim objašnjenjem za Univerzum kakav danas poznajemo.

Univerzum se širi. Do dvadesetih godina XX veka naučnici su verovali da je Univerzum statičan. Uzimajući u obzir posmatranja i instrumente koje je nauka tada posedovala, ovo mišljenje nije uopšte iznenađujuće. Izgledalo je da je nebo prekriveno istim zvezdama vekovima, bez bilo kakvih naznaka da zvezde mogu da se rađaju, umiru, ili čak menjaju svoj položaj u Univerzumu. Međutim, ovaj stav se iz korena promenio zahvaljujuci američkom astronomu Edvinu Hablu (Edwin Hubble).

Edvin Habl. Izvor: history.com

Habl je 1929. godine posmatrajući magline (nebulae), za koje se tada uglavnom mislio da su objekti koji se nalaze u okviru naše galaksije, otkrio da se u stvari radi o čitavim galaksijama. Posmatrajući novootkrivene galaksije uočio je crveni pomak u svetlosti koja sa njih dolazi na Zemlju, nezavisno od pravca i pozicije na nebu, što je značilo da se te galaksije udaljavaju od nas. I ne samo to: Habl je zaključio i da se galaksije koje se nalaze na većoj udaljenosti od Zemlje udaljavaju većom brzinom. Drugim rečima, Univerzum se širi!

Širenje Univerzuma. Slika: wikimedia.org

Zastupljenost lakih hemijskih elemenata. Ako uzmemo u obzir da se Univerzum širi i hladi, logičan zaključak je da je nekada u prošlosti bio daleko gušći i vreliji, odnosno da se sva materija u Univerzumu nalazila na jako malom prostoru.

Sva vidljiva materija u Univerzumu se sastoji od atoma, koji se dalje sastoje od elektrona i jezgra koje čine protoni i neutroni. Međutim, nije uvek bilo tako. Ukoliko se vratimo dovoljno daleko u prošlost, Univerzum je bio toliko gust i temperatura je bila toliko visoka da, ne samo da atomi nisu mogli da se formiraju, nego ni protoni i neutroni nisu mogli da formiraju atomska jezgra. Razlog za to je što je nekada bilo mnogo više fotona (čestica svetlosti) visoke energije nego protona i neutrona (na šest parova protona i neutrona bilo je oko deset milijardi fotona). Iako su proton i neutron mogli da se spoje i formiraju deuterijum, koji je prvi korak ka formiranju lakih hemijskih elemenata, fotoni bi u deliću sekunde uspeli da ga razore.

Odmah nakon spajanja protona i neutrona foton (y) bi razorio nastalo jezgro. Autor: Ethan Siegel, Starts With A Bang

Da bi se trajno formirala jezgra atoma, Univerzum je prvo trebalo da se dovoljno ohladi kako fotoni ne bi imali dovoljno energije da ih razore, a to se upravo dešavalo kako se Univerzum širio. U trenutku kada je Univerzum bio star nešto više od tri minuta mogao je da se formira deuterijum bez opasnosti da će biti razoren. Kada se jednom formirao deuterijum, na red su došli za nijansu teži elementi: helijum-3 (dva protona i jedan neutron) i helijum-4 (dva protona i dva neutrona). Polazeći od ovih činjenica, fizičar Džordž Gamov (George Gamow) je matematičkim proračunom došao do zaključka da bi u Univerzumu trebalo biti oko 76% vodonika i 24% helijuma-4 (gledajući masu), sa tragovima deuterijuma, helijuma-3, i litijuma-7. Zbog uslova koji su tada vladali (temperatura, gustina Univerzuma, itd.) formiranje težih atoma nije bilo moguće.

Ovakva zastupljenost elemenata jedno je od prvih i najvažnijih predviđanja velikog praska, i što je još važnije to predviđanje je podložno eksperimentu. Nakon posmatranja i analize, astronomi su došli do podataka o zastupljenosti lakih elemenata u Univerzumu i ti podaci se nepogrešivo poklapaju sa predviđanjem Velikog praska. Najbolji test za ovo predviđanje sproveden je pre samo nekoliko godina nakon što je grupa astronoma detektovala prastari oblak gasa najstarijih atoma u Univerzumu.

Džordž Gamov. Slika: phys.colorado.edu

Kosmičko mikrotalasno pozadinsko zračenje. Kako je u davnoj prošlosti Univerzuma temperatura bila toliko visoka da nisu postojali pojedinačni atomi, i kako se Univerzum širio i hladio, moralo je da dođe do momenta u kome su se formirali i prvi atomi.

Kada se elektron i jezgro spoje i formiraju atom, dolazi do emitovanja svetlosti. Ako u isto vreme dođe do spajanja svih elektrona i jezgara u Univerzumu, sjaj svetlosti koja bi se oslobodila bi trebalo da bude vidljiv svuda u Univerzumu. Gamov je procenio da bi temperatura te svetlosti trebalo da bude samo par kelvina iznad apsolutne nule, i da bi ta svetlost bila dokaz o gustoj i vrućoj ranoj fazi Univerzuma.

Svetlost emitovana usred spajanja elektrona i jezgra dobila je naziv kosmičko mikrotalasno pozadinsko zračenje (CMB). Njega su prvi put detektovala dvojica astronoma, Arno Alan Penzijas (Arno Allan Penzias) i Robert Vudro Vilson (Robert Woodrow Wilson), potpuno slučajno dok su vršili ekperimente sa komunikacionim antenama. To otkriće njima je donelo 1978. godine Nobelovu nagradu za fiziku, a nauci konačnu potvrdu teorije velikog praska.

Kosmičko mikrotalasno pozadinsko zračenje se nalazi svuda u Univerzumu, i gotovo je svako od nas već imao prilike da se direktno sa njim sretne. Naime, ukoliko posedujete stari radio prijemnik, možete da ga uključite i dok tražite neku radio stanicu možete čuti u pozadini šum. Oko 1% tog šuma rezultat je upravo kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja!

Mapa kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja. Izvor: space.mit.edu

Šta je u stvari Veliki prasak? Veliki prasak opisuje nekada gust i vruć Univerzum koji se širi, ali nešto je moralo da se desi da bi došli do tog stanja. Odgovor na ovo pitanje je kosmička inflacija. Sve što za sada treba da znate o kosmičkoj inflaciji je da je to period pre velikog praska, kada Univerzum nije sadržao materiju, i o kosmičkoj inflaciji će biti reči u nekom od narednih tekstova.

Veliki prasak je, dakle, prvi trenutak u istoriji Univerzuma u kojem možemo da ga opišemo kao gusto i vruće stanje (temperatura koju je Univerzum u tom trenutku imao je između 10^{15}10^{29} kelvina), i koje je puno materije, antimaterije, i radijacije. Teorija koja proizilazi iz ove pretpostavke nam govori ne samo to da se Univerzum širi, već i kada su se formirali prvi atomi, koji su to atomi i u kojoj količini postoje, i kako bi Univerzum trebalo danas da izgleda.

Dakle, suprotno popularnom shvatanju, ne radi se o nekakvoj ekploziji čestice niti zvezde, već jednostavno o trenutku u istoriji Univerzuma.

Evolucija Univerzuma. Izvor: wikimedia.org

Postoji mnogo stvari koje Veliki prasak samostalno, tj. bez pomoći kosmičke inflacije, tamne materije ili tamne energije nije u stanju da predvidi i, kao i svaka naučna teorija, ima svoja ograničenja. Ali to nikako ne umanjuje značaj Velikog praska jer, uzimajući u obzir sva predviđanja i trenutna opažanja, zaključak je da je Veliki prasak najbolja teorija o evoluciji Univerzuma koju imamo, i ujedno jedina takva teorija koja u okviru svog opsega važnosti ne daje pogrešna predviđanja.

Korišćeni izvori:

Ostavite odgovor

Popunite detalje ispod ili pritisnite na ikonicu da biste se prijavili:

WordPress.com logo

Komentarišet koristeći svoj WordPress.com nalog. Odjavite se / Promeni )

Slika na Tviteru

Komentarišet koristeći svoj Twitter nalog. Odjavite se / Promeni )

Fejsbukova fotografija

Komentarišet koristeći svoj Facebook nalog. Odjavite se / Promeni )

Google+ photo

Komentarišet koristeći svoj Google+ nalog. Odjavite se / Promeni )

Povezivanje sa %s