Το ζήτημα του πώς άρχισε το Σύμπαν και πώς θα τελειώσει έχει προκαλέσει αμηχανία στην ανθρωπότητα για χιλιετίες. Οι αρχαίοι Έλληνες και πολλοί άλλοι πολιτισμοί πίστευαν ότι το σύμπαν μας είναι αιώνιο. Ο Αριστοτέλης ήταν ένας από τους πρώτους ανθρώπους που σκέφτονταν διαφορετικά και πρότεινε ότι το Σύμπαν περιορίστηκε σε αυτό που ονομάζεται «ουράνια σφαίρα». Προς έκπληξη όλων, γύρω στο 1930 ανακαλύφθηκε ότι το Σύμπαν δεν είναι απείρως παλιό, αλλά έχει πεπερασμένη ηλικία. Ο αστρονόμος Edward Hubble έκανε την εκπληκτική παρατήρηση ότι όλοι οι γαλαξίες απομακρύνονται ο ένας από τον άλλο. Επομένως, κάποιος πρέπει να υποθέσει ότι είχαν πλησιάσει μεταξύ τους πριν από 1000 χρόνια από σήμερα, ακόμα πιο κοντά πριν από 1 εκατομμύριο χρόνια και ούτω καθεξής. Τέλος, κάποια στιγμή στο παρελθόν, πριν από περίπου 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια, όλα τα υλικά στο Σύμπαν πρέπει να είχαν συμπιεστεί σε μια εξαιρετικά μεγάλη πυκνότητα και θερμοκρασία.

Η Μεγάλη Έκρηξη. Πηγή: Counterbalance Foundation

Δεδομένου ότι η επέκταση από αυτή την αρχική κατάσταση προχωρά σα μια γιγαντιαία έκρηξη, αυτή η θεωρία έγινε γρήγορα γνωστή ως η Μεγάλη Έκρηξη (Big Bang). Αρχικά, το όνομα Big Bang χρησίμευε ειρωνικά και εξελίχθηκε από τους αντιπάλους της θεωρίας του Big Bang, διότι στη δεκαετία του 1930 φαινόταν αδιανόητο για πολλούς ανθρώπους ότι το σύμπαν δεν είναι απείρως παλιό. Ωστόσο, το όνομα Big Bang χρησιμοποιείται από τότε επειδή απευθύνθηκε στις φαντασιώσεις τόσο των επιστημόνων όσο και του κοινού.

Προς το παρόν, η θεωρία του Big Bang είναι η πιο αποδεκτή θεωρία της προέλευσης του Σύμπαντος -αλλά δεν είναι καθόλου ολοκληρωμένη. Η θεωρία του Big Bang εξηγεί πώς το Σύμπαν μπορεί να έχει εξελιχθεί μετά τη δημιουργία του, αλλά υπάρχουν και πολλά άλλα κοσμολογικά ερωτήματα. Πώς συνέβη το Big Bang; Και αν το σύμπαν μας επεκτείνεται, σε τι επεκτείνεται; Ορισμένες από αυτές τις ερωτήσεις είναι συναρπαστικές νέες προκλήσεις για τους αστρονόμους, ενώ άλλες είναι απλά μπερδεμένες. Για παράδειγμα, γνωρίζουμε τι συνέβη στο Σύμπαν από ένα κλάσμα του δευτερολέπτου μετά το Big Bang, αλλά δεν μπορούμε να εξηγήσουμε πλήρως το πρώτο κλάσμα του δευτερολέπτου, όπου δημιουργήθηκε χώρος και χρόνος. Έτσι εάν ρωτήσετε τι υπήρχε πριν από το Big Bang; Λοιπόν τίποτα, επειδή ο χώρος και ο χρόνος δεν υπήρχαν μέχρι τη Μεγάλη Έκρηξη, οπότε δεν υπάρχει το πριν από τη Μεγάλη Έκρηξη και δεν υπήρχε μέρος για να υπάρχει τίποτε, ούτως ή άλλως.

Η θεωρία του Big Bang δηλώνει ότι όλη η ύλη υπήρχε από την αρχή, αλλά ήταν απλώς σε ένα μέρος. Πριν από τη Μεγάλη Έκρηξη, δεν υπήρχε χρόνος και χώρος. Ο Hubble ανακάλυψε ότι οι γαλαξίες απομακρύνονταν ο ένας από τον άλλο, γεγονός που οδήγησε στην ιδέα της επέκτασης του χώρου. Αυτό σημαίνει ότι δεν είναι η κίνηση των ίδιων των γαλαξιών που τους οδηγεί μακριά ο ένας από τον άλλο. Είναι ο ίδιος ο χώρος που διακινεί τους γαλαξίες.

Στη γενική θεωρία της σχετικότητας, ο Albert Einstein εξηγεί πώς κάθε αντικείμενο στο διάστημα είναι ενσωματωμένο στο χώρο και είναι ο ίδιος ο χώρος που επεκτείνεται αυξάνοντας την απόσταση μεταξύ των αντικειμένων. Όλα τα σημεία της ύλης και του χώρου ήταν σε ένα σημείο πριν από τη Μεγάλη Έκρηξη, πράγμα που σημαίνει ότι το Big Bang συνέβη παντού.

Μπορεί να είναι πιο εύκολο να σκεφτείτε ένα ελαστικό μπαλόνι. Το μπαλόνι αντιπροσωπεύει το χώρο (σε αυτήν την περίπτωση 2-διαστάσεων). Στο μπαλόνι τοποθετείτε εκατοντάδες σημάδια, τα οποία αντιπροσωπεύουν τους γαλαξίες. Εάν φουσκώσετε το μπαλόνι, τα σημάδια φαίνεται να απομακρύνονται το ένα από τον άλλο, αλλά στην πραγματικότητα η επιφάνεια του μπαλονιού έχει τεντωθεί ανάμεσα στα σημάδια και έχει μετακινήσει όλους τους «γαλαξίες» πιο μακριά.

Ο Edward Hubble συνειδητοποίησε ότι όλοι οι γαλαξίες απομακρύνονταν ο ένας από τον άλλο παρατηρώντας το φως από εξαιρετικά απομακρυσμένες πηγές. Βρήκε ότι το φως αυτό είχε μετατοπιστεί προς το κόκκινο άκρο του ορατού φάσματος. Αυτό μπορεί να εξηγηθεί από το φαινόμενο Doppler, το οποίο δηλώνει ότι το φως που εκπέμπεται από μια πηγή που απομακρύνεται από τον παρατηρητή παρατηρείται με χαμηλότερη συχνότητα.

Μια χαμηλότερη συχνότητα σημαίνει ότι το παρατηρούμενο φως φαίνεται πιο κοκκινωπό από ο φως που εκπέμπεται από την πηγή, και αυτό το φαινόμενο ονομάζεται ερυθρή μετατόπιση.

Γραφική απεικόνιση του φαινομένου Doppler. Πηγή: epicphysics.com

Το φαινόμενο Doppler ισχύει για όλους τους τύπους κυμάτων, αλλά είναι πιο εύκολο να εξηγηθεί χρησιμοποιώντας τον ήχο. Φανταστείτε μια μοτοσικλέτα που κινείται προς έναν παρατηρητή Β. Ο κινητήρας της εκπέμπει ηχητικά κύματα (θόρυβος) προς όλες τις κατευθύνσεις, αλλά καθώς η μοτοσυκλέτα ταξιδεύει προς τα μπροστά, ακολουθεί τα ηχητικά κύματα που απελευθερώνει νωρίτερα, πράγμα που σημαίνει ότι το κενό μεταξύ κάθε διαδοχικού κύματος γίνεται μικρότερο. Αυτό αυξάνει τη συχνότητα των ηχητικών κυμάτων, που σημαίνει ότι το Β ακούει έναν οξύτερο θόρυβο. Πίσω από τη μοτοσικλέτα, το αποτέλεσμα είναι αντίστροφο, καθώς η απόσταση μεταξύ των μετώπων του κυμάτος αυξάνεται καθώς η μοτοσυκλέτα απομακρύνεται από τον παρατηρητή Α, ο οποίος ακούει έναν χαμηλότερο θόρυβο.

Το φως θα έχει παρόμοιο αποτέλεσμα. Για αντικείμενα που εκπέμπουν φως που κινούνται προς τον παρατηρητή, τα κύματα θα συμπιεστούν μεταξύ τους, πράγμα που σημαίνει υψηλότερη συχνότητα, ενώ χαμηλότερα μήκη κύματος θα εμφανίζονται μπλε. Για τους γαλαξίες που απομακρύνονται από εμάς, το φως θα μετατοπιστεί σε χαμηλότερες συχνότητες (υψηλότερα μήκη κύματος) και θα εμφανιστεί πιο κόκκινο.

Αυτή η εικόνα δείχνει ότι το φως των μακρινών γαλαξιών είναι κόκκινο αντί για κίτρινο, επειδή απομακρύνονται από εμάς. Πηγή: ESA/NASA

Οι θεωρίες για το πώς έμοιαζε το πρωταρχικό Σύμπαν είναι εξαιρετικά υποθετικές, καθώς είναι πολύ δύσκολο να γνωρίζουμε λεπτομερώς τα πράγματα που συνέβησαν πριν από 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια.

Γνωρίζουμε ότι στην αρχή του Σύμπαντος η θερμοκρασία ήταν τόσο υψηλή που όλη η ύλη διαλύθηκε σε στοιχειώδη σωματίδια, όπως τα κουάρκ, τα ηλεκτρόνια και τα φωτόνια. Δεν υπήρχαν ατομικοί πυρήνες, άτομα, στερεά σώματα, πλανήτες ή αστέρια. Σε αυτή τη χρονική στιγμή μπορούσαν να υπάρχουν μόνο στοιχειώδη σωματίδια.

Περίπου ένα χιλιοστό του δευτερολέπτου μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, οι θερμοκρασίες είχαν ψυχθεί αρκετά, ώστε να επιτρέψουν τη δημιουργία πρωτονίων και νετρονίων μέσω της συγχώνευσης τριών στοιχειωδών κουάρκ.

Υπάρχουν έξι διαφορετικά είδη κουάρκ. Δύο από αυτούς συγκεντρώνουν σχεδόν όλη την ύλη: το κουάρκ επάνω (up) και το κουάρκ κάτω (down). Τρία κουάρκ μπορούν να ενωθούν για να σχηματίσουν ένα πρωτόνιο (2 πάνω + 1 κάτω) ή ένα νετρόνιο (1 πάνω + 2 κάτω).

In 1965 two American scientists, Penzias and Wilson, built a new radio antenna, of unprecedented sensitivity, in order to measure satellite signals. They accidentally discovered a mysterious microwave radiation coming from far out in space, but had no idea about its origin. It was later found out that this radiation was created in the Big Bang. It is called cosmic microwave background radiation and it raises the temperature of space from zero up to 2.7K. The radiation is almost perfectly uniform in all directions.

You can even observe the background radiation yourself! Anyone who has have seen an analogue TV before it has been properly set-up knows it will show 'static' on the screen. About 10% of the flickering one sees is due to the background radiation. Of course this won’t happen in the case of digital TVs.

Where does it come from?

After the creation of the first atomic nuclei of hydrogen, helium, and of traces of lithium, these light elements remained embedded in a sea of electrons which originated from even earlier moments in the history of the Universe. Each electron carries a negative electric charge whereas each proton is positively charged. These protons and electrons are attracted to each other due to their opposite charges and so the electrons try to form clouds around the protons.

However, the high temperature immediately dissolves the clouds and sends protons and electrons through space on random paths. It took 300 000 years for the Universe to expand and cool down enough to reach a temperature at which an electron cloud would remain stable. Nuclei with accompanying electrons are what we know now as atoms.

The paths of photons (light particles) can be changed by collisions with electric charges but they do not interact with neutral atoms. Therefore, the original Big Bang photons continued unperturbed on their paths once all electrons had been incorporated in atoms, and we see those photons today as the cosmic background radiation. Thus, this radiation gives a snapshot of the Universe at an "infant" age of 300 000 years.

The figure shows a detailed, all-sky picture of the infant universe created from nine years of WMAP data. The different colours in this picture show that the Universe 300 000 years after the Big Bang was not the same everywhere. The colour differences indicate temperature fluctuations that correspond to the seeds that grew to become the galaxies. Source: NASA/WMAP

Is there any proof of the Big Bang Theory ? Indeed, this theory is supported by the following observations:

1. The expansion of the Universe by which galaxies move away from each other. This means that all matter of the Universe must have been compressed at enormously large temperature and density at the time of the Big Bang.
2. The abundance of light nuclei ²H, ³He, ⁴He and ⁷Li can only be explained if one assumes that they were created in the first minutes after the Big Bang.
3. The observation of the cosmic background radiation coming from far out in space. The origin of this radiation can be explained by assuming that it originated shortly after the Big Bang. 

For about one billion years after the Big Bang, the Universe consisted only of hydrogen and helium in gaseous form. There were no stars and no planets. Eventually, some the gas clouds began to collapse in on themselves to form protostars which eventually became hot enough to ignite, creating the very first stars. From stars, galaxies and planets the form. However, our Sun didn’t form until generations of stars had been and gone, 8 to 9 billion years after the Big Bang.

A single grain of dust from the beginning of the Solar System Source: NASA

The surrounding dust and gas slowly merged together under the effect of gravitation, as larger pieces attracted smaller pieces. As they grew, their weight eventually made them spherical and they became planets.

We are fortunate that our Solar System formed quite late. Our planet is made out of rock which did not exist in earlier times in the Universe. These heavy elements had to be made by other stars and then cast out back into space when the stars died. This matter then collected around our Sun and formed not just the Earth, but Mercury, Venus and Mars as well.

The solar system consisting of the Sun and the planets was formed from a cloud of gas and dust looking something like this. Source: NASA

Even if one can measure how quickly the galaxies are moving away from each other, it is not easy to predict what will happen in the future of the Universe. The expansion of the Universe is primarily powered by the Big Bang but the matter in the Universe can gravitationally pull everything back towards the centre.

There are a number of possibilities and all depends on the density of the Universe:

1. If the density of the Universe is low, then the gravitational pull of the material in Universe won’t be able to overcome the expansion so the Universe will continue to expand forever. The lower the density, the quicker it can expand. This is known as the Open Universe model.
2. If the density of the Universe is high, then the Universe will expand for a while but slow down as it goes until it reaches a maximum size. Then gravity will pull everything back in again until the Universe collapses back into the singularity it started with in what we call The Big Crunch. This is called a Closed Universe, as it has a finite size and can lead to another Big Bang producing a new Universe.
3. If the density is exactly on the boundary between the two models, which we call critical density, the Universe will still continue to expand but the rate of expansion will slow down.

The figure illustrates the three models of the expansion of the Universe. Current observation seem to support the Open Universe model.

The Earth is about 4600 million years old. In the beginning, Earth was so hot that everything was molten. After 500 million years Earth had cooled down enough so that oceans could form and the planet became habitable. Then the first primitive forms of life appeared in the oceans. It then took an enormously long time (about 4 000 million years) for life to develop from the first primitive life forms to plants, then to animals, and finally to human beings.

Human beings have lived on Earth only for the last 4 million years. And only for less than 100 years mankind has an understanding of how the Universe is structured up and how it came into existence in the Big Bang.

The conditions on Earth were just right for life. It is just the right temperature for liquid water, close enough to the Sun to use its energy, oxygen for us to breathe and a moon to stabilise our climate.

This illustration represents the natural phenomena which have created life as we know it on Earth. Source: California Space Institute

Many scientists think that there is life outside Earth. With billions of other star systems, it seems absurd to believe that Earth is the only planet capable of harbouring life. In our solar system the most probable locations where primitive life could exist are Mars and one of Jupiter’s moons. On Mars, there is evidence that water was there in the past, and scientists think that on Europa, a gigantic ocean lies below the icy surface.

As of 2011, well over 500 planets outside the Solar system have been discovered and more planets are being found all the time. On some of those, there could be just the right conditions for life. Perhaps there could be technical civilisations that are much further advanced than we are. However, some people feel that if there were so many aliens out there, we would have seen some by now. This is called Fermi’s paradox, because it was Enrico Fermi who first formulated this idea. One of the most plausible explanations for this is that the huge distances between different advanced civilisations do not allow contact. Even if there were 1000 advanced civilisations out there, if we are all 1000 light-years apart it is unlikely that someone will be coming to Earth for a visit.

Some scientists feel that it’s incredibly lucky that out of all the infinite possibilities of how our Universe could have evolved, it just so happens, that it has evolved to create just the right conditions for us to survive. For example, at the time of the Big Bang there was only a tiny surplus (one billionth) of matter with respect to antimatter in the Universe. If the amounts had been exactly the same, all matter and antimatter would have been annihilated and transformed into radiation, leading to a boring Universe without anything solid, including ourselves. If the surplus of matter had been only a very tiny amount larger or smaller than the actual value, no life would have been possible. If it had been a little larger, the Universe would have collapsed due to gravitational attraction. There simply would not have been enough time to develop life. On the other hand, if the surplus of matter had only been a little smaller the expansion would have been so fast that no bound structures could have formed and the Universe would contain only elementary particles.