Big Bang-teorin representerar kosmologernas bästa försök att rekonstruera den 14 miljarder åriga historien om universum baserat på den livslängd som finns i dag.
Olika människor använder termen "Big Bang" på olika sätt. Allmänt illustrerar det det observerbara universums båge när det tunnas ut och kyldes från ett ursprungligen tätt, hett tillstånd. Denna beskrivning bygger på idén att kosmos expanderar, en bred princip som är analog med överlevnaden av de fittest inom biologi som få skulle anser vara diskutabla.
Mer specifikt kan Big Bang också hänvisa till födelsen av det observerbara universum självt - i det ögonblick något förändrades, och starta de händelser som ledde till idag. Kosmologer har diskuterat i decennier om detaljerna i den bråkdelen av en sekund, och diskussionen fortsätter idag.
Den klassiska Big Bang-teorin
Under större delen av människans historia antog observatörerna av himlen den eviga och oföränderliga. Edwin Hubble gav denna berättelse ett experimentellt slag på 1920-talet när hans observationer visade både att galaxer utanför Vintergatan fanns, och att deras ljus verkade sträckta - ett tecken på att de rusade bort från jorden.
George Lemaître, en samtida belgisk fysiker, tolkade data från Hubble och andra som bevis på ett expanderande universum, en möjlighet som tillåts av Einsteins nyligen publicerade fältekvationer om allmän relativitet. Tänkande bakåt slog Lemaître fast att dagens separationsgalaxer måste ha börjat tillsammans i det han kallade "uratomen."
Den första offentliga användningen av den moderna termen för Lemaîtres idé kom faktiskt från en kritiker - den engelska astronomen Fred Hoyle. Den 28 mars 1949 myntade Hoyle frasen under ett försvar av sin föredragna teori om ett evigt universum som skapade materia för att avbryta utvidgningen av expansionen. Hoyle sade uppfattningen att "all materia om universum skapades i en big bang vid en viss tidpunkt i det avlägsna förflutet", var irrationellt. I senare intervjuer förnekade Hoyle avsiktligt att uppfinna ett förtalande namn, men monikern fastnade, mycket till frustration för vissa.
"Big Bang är en riktigt dålig term", sa Paul Steinhardt, kosmolog på Princeton. "Den stora sträckan skulle fånga rätt idé." Den mentala bilden av en explosion orsakar all slags förvirring, enligt Steinhardt. Det innebär en central punkt, en expanderande gräns och en scen där lätt granat flyger snabbare än tyngre bitar. Men ett expanderande universum ser inget så ut, sa han. Det finns inget centrum, ingen kant, och stora och små galaxer glider alla isär på samma sätt (även om mer avlägsna galaxer flyttar sig snabbare under den kosmologiskt nyligen påverkade mörka energin).
Oavsett namn, Big Bang-teorin fann en bred acceptans för dess enastående förmåga att förklara vad vi ser. Ljusbalansen med partiklar som protoner och neutroner under de första 3 minuterna låter till exempel tidiga element bildas i en takt som förutsäger de nuvarande mängderna helium och andra ljusatomer.
"Det fanns ett litet fönster i tiden där det var möjligt för kärnor att bildas," säger Glennys Farrar, en kosmolog vid New York University. "Därefter expanderade universum och de kunde inte hitta varandra, och innan det var för varmt."
En molnig plasma fyllde universumet under de kommande 378 000 åren, tills ytterligare kylning låtade elektroner och protoner bilda neutrala väteatomer och dimman rensades. Det ljus som släppts ut under denna process, som sedan har sträckt sig till mikrovågor, är det tidigaste kända objekt som forskare kan studera direkt. Känd som den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen (CMB) anser många forskare som det starkaste beviset för Big Bang.
En explosiv uppdatering
Men när kosmologer drev längre tillbaka till universumets första ögonblick, avslöjades berättelsen. General relativitetens ekvationer föreslog en initial fläck av obegränsad värme och densitet - en singularitet. Förutom att det inte var mycket fysiskt förnuftigt matchade inte ett singulärt ursprung den släta, platta CMB. Fluktuationer i fläckens formidabla temperatur och densitet skulle ha gett himmelstrån med olika egenskaper, men CMB: s temperatur varierar bara med en bråkdel av en grad. Rymdtidens krökning ser också ganska platt ut, vilket innebär en ursprungligen nästan perfekt balans mellan materie och krökning som de flesta kosmologer finner osannolika.
Alan Guth föreslog en ny bild av den första bråkdelen av en sekund på 1980-talet, vilket tyder på att universum tillbringade sina tidigaste stunder att växa exponentiellt snabbare än det gör idag. Vid någon tidpunkt avbröts denna process, och att sätta på bromsarna gav en tät och het (men inte oändligt så) röra med partiklar som tar plats för singulariteten. "I mitt eget sinne tänker jag på det som Big Bang, när universum blev varmt," sade Farrar.
Inflationsteorin, som den heter, har nu en mängd konkurrerande modeller. Även om ingen visste så mycket om vad som fick universum att expandera så snabbt har teorin blivit populär för sin förmåga att förklara den till synes osannolika featureless CMB: Inflation bevarade mindre fluktuationer (som utvecklades till dagens galaxkluster), samtidigt som de stora plattas ut. "Det är en väldigt söt historia," sa Steinhardt, som hjälpte till att utveckla teorin. "Det är den vi berättar för våra barn."
Utöver inflationen
Ny forskning har introducerat två rynkor i inflationsteorinens kosmiska berättelse. Arbet av Steinhardt och andra antyder att inflationen skulle ha upphört i vissa regioner (som vårt observerbara universum) men fortsatte i andra och producerat en rad separata territorier med "varje tänkbar uppsättning kosmologiska egenskaper", som Steinhardt uttrycker det. Många fysiker tycker att den här "mångfaldiga" bilden är smaklös, eftersom den gör ett oändligt antal otestabla förutsägelser.
På experimentfronten förväntar sig kosmologer att inflationen borde ha producerat galax-spännande gravitationsvågor i CMB precis som den gav små temperatur- och densitetsvariationer. Nuvarande experiment borde vara tillräckligt känsliga för att hitta dem, men de primitiva rymd-tid-krusningarna har inte dykt upp (trots ett falskt larm 2014).
Många forskare väntar på mer exakta CMB-mätningar som kan döda eller validera de många inflationsmodeller som fortfarande finns. Andra fysiker ser dock inte kosmos glatthet som ett problem alls - det började enhetligt och behöver ingen förklaring.
Medan experimentalister strävar efter nya nivåer av precision, har vissa teoretiker vänt sig från inflationen för att söka andra sätt att krossa universumet platt. Steinhardt, till exempel, arbetar med en "stor studs" -modell, som skjuter startklockan ännu längre tillbaka, till en tidigare period av sammandragning som jämnade utrymmet och skapade scenen för en explosiv expansion. Han hoppas att nya signaturer, förutom problem som bristen på gravitationella vågor, för länge kommer att skapa kosmologer med en ny skapelseshistoria att berätta. "Finns det några andra observerbara funktioner att leta efter?" Steinhardt sa: "Fråga mig igen om några år och jag hoppas få svar."
Ytterligare Resurser:
