Big bang

Big Bang, eller den stora smällen, är den idag allmänt accepterade grundteorin för hur vårt universum skapades. Brister i modellen ledde fram till det som vi idag kallar för inflationsteorin. Från början sågs inflationen som en del av Big Bang, men detta har successivt ändrats till att Big Bang har blivit en del av inflationsteorin.

Stephen Hawking

Enligt teorin om Big Bang skapades vårt universum för ca 12-15 miljarder år sedan ur ett mycket kompakt och energirikt tillstånd, en så kallad singularitet. Denna del av teorin om Big Bang har av många forskare ansetts ha stora brister. Den engelske fysikern Stephen Hawking har visat på en möjlighet att det inte behöver ha rått en singularitet innan Big Bang.
Enligt Hawkings hypotes ska istället tiden och rummet ha varit hopflätade och bildat en slags avrundad geometri. En liknelse kan låta sig göras om man låter jordens breddgrader symbolisera tiden och jordens längdgrader får symbolisera rummet. Det finns då en punkt (nordpolen) där man inte kommer längre norr ut, men någon kant finns inte.

Big Bang-modellen är fortfarande omtvistad. Det finns dock starka observationer som styrker den. De främsta är:

Rödförskjutningen. Avlägsna galaxer sänder ett ljusspektra förskjutet mot den röda delen, vilket tolkas som att universum expanderas.
Bakgrundsstrålningen. Från varje riktning i universum finns en värmestrålning som inte varierar mer än en del på tiotusen från en riktning till en annan. Denna strålning antas härröra från Big bang.
Materiefördelningen. Väte och helium kan inte produceras i stjärnorna på något sätt så att ämnena blir så väl utspridda och vanliga som de enligt alla observationer är.

Teorin

Man brukar dela in Big Bang-teorin i nio faser. Den första av dessa faser, fas 1, är de första 10^-43 sekunderna (en så kallad Plancktid). Om denna fas vet man inte särskilt mycket. Det var ett stadium som kanske helt saknade geometri, definitivt saknades en euklidisk geometri, de fysikaliska lagarna är helt okända och rumtiden är omdiskuterad.

Fas två brukar kallas för den storförenande eran. Temperaturen var mycket hög, hela 10³² Kelvin. Det är i den här fasen kärnkrafterna och elektromagnetiska krafterna började samverka till att accelererande expandera universum. Denna expansion brukar kallas den kosmiska inflationen.

10^-34 sekunder efter Big Bang inleddes den tredje fasen. Den starka kärnkraften skiljs från de svaga kärnkrafterna och de elektromagnetiska krafterna. Universum utgörs nu av ett plasma av kvarkar och elektroner. Den kosmiska inflationen upphör, men universum fortsätter att utvidgas.

Fas fyra tog sin början efter 10^-10 sekunder. Nu börjar de elektromagnetiska och svaga krafterna att skiljas åt. I det här stadiet finns nu ett överskott på materia gentemot antimateria. Kvarkar kan nu gå samman till protoner och neutroner, partiklarna har fått sin massa.

Efter ca en sekund hade temperaturen sjunkit till ungefär 10¹⁰ Kelvin. Nu i den femte fasen frikopplas neutrinerna, varefter elektroner och positroner annihilerar, dvs. förintar varandra, under frigörandet av stora mängder energi. Detta ger till slut en liten rest av elektroner, men framför allt all den kosmiska bakgrundsstrålningen.

När den sjätte fasen inleddes efter tre minuter har temperaturen sjunkit till 10⁹ Kelvin. Nu kan protoner och neutroner bindas samman till kärnor eftersom bindningsenergin nu är större än den kosmiska bakgrundsstrålningens energi. Tidigare skulle fotonerna från bakgrundsstrålningen ha splittrat kärnorna pga. den energi de besatt.

Efter 300 000 år har strålningstemperaturen sjunkit till 3000 Kelvin. Materian och den kosmiska bakgrundsstrålningen frikopplas när elektronerna binds till kärnor och bildar neutrala atomer. Detta är fas sju.

Ytterligare 700 000 år senare har temperaturen sjunkit till 18 Kelvin. I den åttonde fasen har materieanhopningar bildats och ger upphov till kvasarer, stjärnor och protogalaxer.

Den nionde fasen är nu, ca 15 miljarder år efter Big Bang. Bakgrundsstrålningen har nu sjunkit till knappt 3 Kelvin. Hur universum kommer att utvecklas i fortsättningen råder det delade meningar om. Det finns tre huvudteorier; ”Big Rip”, ”Big Chill” och ”Big Crunch”.

Bakgrund

Edwin Hubble

Fysikern Edwin Hubble gjorde 1924 upptäckten att universum expanderade. Denna upptäckt gjordes genom den så kallade rödförskjutningen. Rödförskjutningen har sin förklaring i dopplereffekten. Om ett objekt, S, som utsänder elektromagnetisk strålning, med frekvensen f, rör sig i hastigheten v i en vinkel θ′ bort från ett annat objekt, O′ kommer den elektromagnetiska strålningens frekvens att uppfattas som f′ hos objektet O′. Uttrycket för den uppfattade frekvensen f′ ses nedan. (Notera att detta uttryck gäller elektromagnetiska vågor. Ett motsvarande uttryck för dopplereffekten hos mekaniska vågor finns också.)
Om vinkeln θ′ är sådan att S rör sig bort från O′ kommer den uppfattade frekvensen att vara lägre än frekvensen som S sänder ut. Rött ljus är det av det synliga ljuset som har lägst frekvens, alltså kommer allt annat synligt ljus att närma sig det röda ljuset i frekvens då det objekt som sänder ut det färdas bort från observatören. Det är detta som kallas för rödskifte.

Hubble visade att galaxerna rörde sig från varandra. Han visade också att de galaxer som låg långt bort flyttades bort från oss snabbare än galaxer som låg nära. Det hela tydde alltså på att universum expanderade.

1965 kom nästa bevis för teorin om Big Bang. Med hjälp av ny känslig teknik kunde man bygga en mikrovågsdetektor som kunde registrera den svaga bakgrundsstrålning som enligt teorin skulle finnas. Bakgrundsstrålningen är den samma oavsett i vilken riktning man mäter.
NASAs sond COBE bekräftade detta ytterligare då man studerade bakgrundsstrålningen i form av mikrovågor och infraröd strålning. COBE visade att spektrat för bakgrundsstrålningen stämde överens med det teoretiska spektrat för strålning som sänds ut av en svart kropp med samma temperatur som universum.

Nu då?

Fysiker idag jobbar med att ta fram en modell för hur universum såg ut under den första plancktiden, dvs. de första 10^-43 sekunderna. Våra nuvarande modeller slutar att vara applicerbara vid denna tid.
För att kunna förklara vad som hände de första 10^-43 sekunderna behöver man en modell för kvantgravitation, något som i dagsläget inte har.

Enligt Stephen Hawking måste man studera de minsta byggstenarna för att kunna första det stora.
För subatomära partiklar gäller inte längre våra deterministiska lagar. Här bygger istället allt på sannolikheter, vissa händelser är mer sannolika än andra.
Hawkings beräkningar visar att Big Bang var en sådan händelse som var troligare än andra. Och det finns inget i kvantmekaniken som talar emot att någonting kan skapas i ingenting utan anledning. Hawking menar också att universum kan skapas hela tiden utan att vi vet om det. Sådana universum behöver inte alls påminna om vårt universum. De kan utvidgas så snabbt att de blir nästan helt tomma, eller så kan de implodera igen innan galaxer hinner bildas.