Pytanie o początek Wszechświata, jak i jego koniec fascynowało ludzi przez tysiące lat. Starożytni Grecy i wiele innych cywilizacji wierzyło, że Wszechświat jest wieczny. Arystoteles był jednym z pierwszych, którzy myśleli inaczej i sugerował, że Wszechświat był zamknięty wewnątrz tzw. "sfery niebieskiej". Ku zaskoczeniu wszystkich, około roku 1930 odkryto, ze Wszechświat nie jest nieskończenie stary, ale jego wiek jest skończony. Astronom Edward Hubble poczynił zaskakującą obserwację, że wszystkie galaktyki oddalają się od siebie. Jeśli tak, to trzeba założyć, że 1000 lat wcześniej były one bardziej zbliżone do siebie, jeszcze bliższe milion lat temu itd. W końcu, kiedyś w przeszłości, około 13,7 miliarda lat temu, cała materia we Wszechświecie musiała być szalenie ściśnięta i charakteryzowała się nadzwyczaj wielką gęstością i temperaturą.

Wielki Wybuch. Źródło: Counterbalance Foundation

Ponieważ ekspansja z tego stanu początkowego odbywa się na sposób gigantycznej eksplozji, teoria ta szybko została znana pod nazwą Wielkiego Wybuchu - Big Bangu. W pierwszej chwili taka nazwa używana była ironicznie przez przeciwników teorii Wielkiego Wybuchu, gdyż w roku 1930 wielu ludziom wydawało się rzeczą nie do pomyślenia, że Wszechświat nie jest nieskończenie stary. Jednak, nazwa ta jest używana do dziś, gdyż odwołuje się w podobny sposób do wyobraźni uczonych jak i do ludzi mniej wykształconych.

W chwili obecnej, teoria Wielkiego Wybuchu jest najbardziej akceptowaną teorią początku Wszechświata, ale jest też daleka od teorii kompletnej. Teoria ta wyjaśnia w jaki sposób mógł Wszechświat ewoluować po jego utworzeniu, niemniej jednak mamy wciąż wiele pytań natury kosmologicznej. W jaki sposób nastąpił Wielki Wybuch? I, jeśli nasz Wszechświat rozszerza się, to do czego? Niektóre z tych pytań stanowią dla astronomów podniecające, nowe wyzwania, podczas gdy inne jedynie oszołamiają. Na przykład, wiemy, co działo się ze Wszechświatem od ułamka sekundy po Wielkim Wybuchu, nie możemy jednak opisać pierwszego ułamka sekundy, kiedy to tworzyły się przestrzeń i czas. Tak więc, jeśli zapytacie, co działo się przed Wielkim Wybuchem? Odpowiemy: po prostu nic, ponieważ czas i przestrzeń przed Wielkim Wybuchem nie istniały - nie ma więc żadnego przed Wielkim Wybuchem i na nic nie było jakiegokolwiek miejsca.

Teoria Wielkiego Wybuchu głosi, że cała materia istniała od początku, ale była skupiona po prostu w jednym miejscu. Przed Wielkim Wybuchem nie było ani czasu ani przestrzeni. Hubble odkrył, że galaktyki oddalają się od siebie. Doprowadziło to do idei rozszerzającego się Wszechświata, co oznacza, że nie ruch samych galaktyk powoduje ich oddalanie się od siebie, ale dzieje się to za sprawą przestrzeni.

W Ogólnej Teorii Względności Alberta Einsteina, tłumaczy on, w jaki sposób każdy obiekt w przestrzeni jest w niej zanurzony i to, że sama przestrzeń się rozszerza, powodując zwiększanie odległości między obiektami. Wszystkie punkty materii w przestrzeni znajdowały się przed Wielkim Wybuchem w jednym punkcie, co oznacza, że Wielki Wybuch zdarzył się wszędzie.

Najłatwiej jest wyobrazić sobie balon z gumy (patrz rysunek). Na początku, balon reprezentuje przestrzeń (w tym wypadku dwuwymiarową). Na balonie zaznaczamy setki punktów, które mają reprezentować galaktyki. Jeśli nadmuchamy balon, punkty zaczną się od siebie oddalać, ale w rzeczywistości to powierzchnia balonu między tymi punktami została naciągnięta i spowodowała ruch wszystkich "galaktyk".

Dzięki obserwacji światła z bardzo odległych źródeł, Edward Hubble zrozumiał, że wszystkie galaktyki oddalają się od siebie. Stwierdził on, że światła w widmie światła widzialnego są przesunięte ku czerwieni. Fakt ten można wyjaśnić efektem Dopplera , który mówi nam, że światło emitowane przez źródło oddalające się od obserwatora ma mniejszą częstotliwość.

Niższa częstotliwość oznacza, że światło wygląda na bardziej zaczerwienione niż to, które jest emitowane przez źródło, a efekt ten nazywamy przesunięciem ku czerwieni.

Ilustracja efektu Dopplera.
Źródło: epicphysics.com

Efekt Dopplera dotyczy wszystkich fal lecz najłatwiej go wyjaśnić na przykładzie fal dźwiękowych. Wyobraźmy sobie motocykl poruszający się w stronę obserwatora B. Jego motor emituje fale dźwiękowe (szum) we wszystkich kierunkach, jednakże, gdy motocykl jedzie wprzód, napotyka fale wysłane przezeń wcześniej, co oznacza zmniejszenie się odległości między kolejnymi frontami fal. Dzięki temu częstotliwość, którą słyszy obserwator B jest wyższa niż oryginalna. Za motocyklem mamy efekt odwrotny: gdy motocykl odjeżdża od obserwatora A odległość pomiędzy kolejnymi frontami fal zwiększa się i słyszy on dźwięk niższy.

Światło wykazuje podobny efekt. Fale świetlne emitowane z obiektu poruszającego się w kierunku obserwatora ulegają kompresji, co oznacza ich większą częstotliwość i mniejszą długość fali, czyniąc je niebieskawymi. W wypadku galaktyk oddalających się od nas, częstotliwość światła zmniejsza się (długość fal staje się większa) i światło staje się czerwieńsze.

Zdjęcie pokazuje, że światło dalekich galaktyk zamiast być żółtym jest czerwone, gdyż galaktyki te oddalają się od nas. Źródło: ESA/NASA

Teorie mówiące o tym, jak wyglądał nasz bardzo wczesny Wszechświat są nadzwyczaj spekulatywne i jest bardzo trudną rzeczą stwierdzić, co działo się 13,7 miliardów lat temu.

Wiemy, że na początku tworzenia się Wszechświata, jego temperatura musiała być tak wielka, że cała materia była rozłożona na cząstki elementarne jak kwarki, elektrony i fotony. Nie było jąder atomowych, atomów, ciał stałych, planet czy gwiazd. W tej chwili mogły istnieć jedynie cząstki elementarne.

Około milisekundy od Wielkiego Wybuchu, nastąpiło ochłodzenie, temperatura obniżyła się na tyle, że dzięki połączeniu trzech podstawowych kwarków, mogły utworzyć się protony i neutrony.

Istnieje sześć kwarków różnego rodzaju. Dwa z nich są budulcami niemal całej materii: to kwarki górny (ang. up) i dolny (ang. down). Trzy kwarki mogą łączyć się w taki sposób, aby powstał albo proton (2 kwarki górne i 1 dolny) albo neutron (1 górny i 2 dolne).

W roku 1965 dwóch uczonych amerykańskich, Penzias i Wilson, zbudowali antenę radiową o nadzwyczajnej czułości, służącą do pomiarów sygnałów z satelitów. Przez przypadek zauważyli dziwne promieniowanie mikrofalowe dochodzące z dalekiej przestrzeni, ale nie mieli pojęcia, czym też może ono być. Później stwierdzono, że promieniowanie to powstało w chwili Wielkiego Wybuchu. Znamy je pod nazwą "kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła", które podnosi temperaturę w kosmosie do 2,7 K. Promieniowanie to jest niemal identyczne w każdym kierunku.

To promieniowanie tła możecie zobaczyć sami! Każdy, kto widział analogowy telewizor nim został on prawidłowo zestrojony, zauważał szczególny obraz na ekranie. Około 10% drgających plamek pochodzi właśnie od promieniowania tła. Oczywiście, taka sytuacja nie dotyczy obecnych cyfrowych telewizorów.

Skąd to promieniowanie się bierze?

Po utworzeniu pierwszych jąder atomowych wodoru, helu i śladowych ilości litu, te bardzo lekkie elementy pozostawały zanurzone w morzu elektronów, które powstały nawet wcześniej w historii Wszechświata. Każdy elektron ma ujemny ładunek elektryczny, podczas gdy każdy proton jest obdarzony ładunkiem dodatnim. Dzięki przeciwnym ładunkom elektrycznym, protony i elektrony przyciągają się wzajemnie, elektrony więc próbują utworzyć chmurę wokół protonów.

Wysoka temperatura jednak szybko rozbija taką chmurę i powoduje, że protony i elektrony poruszają się w przestrzeni po różnych drogach. Trzeba było 300 000 lat, aby Wszechświat rozszerzył się i oziębił do takiej temperatury, przy której chmura elektronów mogła osiągnąć stabilność. Jądra z towarzyszącymi im elektronami to obiekty, które znamy pod nazwą atomów.

Drogi fotonów (cząstek światła) są zmienne dzięki ich zderzeniom z ładunkami elektrycznymi, fotony jednak nie oddziałują z obojętnymi elektrycznie atomami. Dlatego też oryginalne fotony utworzone podczas Wielkiego Wybuchu mogły swobodnie kontynuować swoja drogę, kiedy już wszystkie elektrony zostały włączone w atomy i dziś widzimy te fotony w postaci kosmicznego tła mikrofalowego. To promieniowanie więc, daje nam obraz Wszechświata w jego "dziecięcym" wieku 300 tysięcy lat.

Obraz pokazuje szczegóły całego nieba niemowlęcego Wszechświata, uzyskany na podstawie dziewięcioletnich obserwacji, WMAP. Różne kolory na tym rysunku ukazują, że Wszechświat 300 tysięcy lat po Wielkim Wybuchu nie był wszędzie taki sam. Różnice w kolorach pokazują fluktuacje temperatury, które odpowiadają zarodkom, które rosną i tworzą galaktyki. Źródło: NASA/WMAP

Czy istnieje jakiś dowód na słuszność teorii Wielkiego Wybuchu? Istnieje, tę teorię potwierdzają następujące obserwacje:

1. Rozszerzanie się Wszechświata, dzięki czemu galaktyki oddalają się od siebie. Oznacza to, że całą materia Wszechświata musiała być w chwili Wielkiego Wybuchu nadzwyczaj skompresowana, mieć nadzwyczaj wysoką temperaturę i gęstość.
2. Zawartość lekkich jąder ²H, ³He, ⁴He i ⁷Li można wyjaśnić jedynie, gdy się założy, że były one utworzone w czasie pierwszych minut po Wielkim Wybuchu.
3. Obserwacja kosmicznego promieniowania tła z dalekich obszarów kosmosu. Źrodło tego promieniowania można wyjaśnić przy założeniu, że zostało ono utworzone wkrótce po Wielkim Wybuchu.

Przez około miliarda lat od chwili Wielkiego Wybuchu, Wszechświat składał się jedynie z gazowego wodoru i helu. Nie było ani gwiazd, ani planet. W końcu pewne chmury gazowe zaczęły się zapadać w sobie tworząc protogwiazdy, który były na tyle gorące, żeby móc uruchomić tworzenie pierwszych gwiazd. Po gwiazdach utworzyły się galaktyki i planety. Nasze Słońce jednak nie zostało stworzone nim powstały i odeszły kolejne pokolenia gwiazd, 8 do 9 miliardów lat po Wielkim Wybuchu.

Ziarenko pyłu, 11 mikronów, z początku Układu Słonecznego. Źródło: NASA

Pod wpływem grawitacji pył i gaz łączyły się, a większe obiekty przyciągały mniejsze. Gdy tak rosły, ich ciężar powodował, że stawały się stopniowo kulistymi planetami.

Mamy szczęście, że nasz Układ Słoneczny utworzył się dość późno. Nasza planeta składa się ze skały, której nie było we wcześniejszym Wszechświecie. Tak ciężkie obiekty musiały być tworzone przez inne gwiazdy i odrzucane w przestrzeń, gdy gwiazda umierała. Tworzona w ten sposób materia zbierała się wokół Słońca i stworzyła nie tylko Ziemię, ale także Merkurego, Wenus i Marsa.

Układ Słoneczny składający się ze Słońca i planet, utworzony został z obłoku gazu i pyłu, który wyglądał mniej więcej, jak na tym rysunku. Źródło: NASA

Nawet gdybyśmy byli w stanie zmierzyć szybkość, z którą oddalają się od siebie galaktyki, wcale nie jest łatwo przewidzieć, co się w przyszłości stanie ze Wszechświatem. Rozszerzanie się Wszechświata dzieje się głównie za sprawą Wielkiego Wybuchu, jednak materia we Wszechświecie może ściągać to wszystko do środka.

Istnieje wiele możliwości i każda zależy od gęstości Wszechświata:

1. Jeśli ta gęstość będzie mała, działanie przyciągające we Wszechświecie nie będzie w stanie przezwyciężyć ekspansję, a więc Wszechświat będzie się nieskończenie rozszerzał. Im niższa gęstość tym szybsze będzie rozszerzanie. Ta sytuacja znana jest pod nazwą modelu Otwartego Wszechświata.
2. Jeśli gęstość Wszechświata będzie duża, Wszechświat będzie chwilowo się rozszerzał, ale zwalniał z czasem, aż do osiągnięcia maksymalnego rozmiaru. Następnie siła przyciągania grawitacyjnego zacznie odwracać proces rozszerzania aż Wszechświat osiągnie swój początkowy punkt osobliwy, co nazywamy "Wielkim Schrupaniem" (ang. Big Crunch). Taki model nazywamy Wszechświatem Zamkniętym, jako że ma rozmiar skończony i może prowadzić do innego Wielkiego Wybuchu, w wyniku którego powstanie nowy Wszechświat.
3. Jeśli gęstość, którą nazywamy gęstością krytyczną, będzie dokładnie na granicy obu modeli, Wszechświat będzie kontynuował rozszerzanie się, ale szybkość tego rozszerzania będzie malała.

Rysunek przedstawia trzy modele ekspansji Wszechświata. Obecne obserwacje wydają się faworyzować model Otwartego Wszechświata.

Wiek Ziemi to około 4 600 milionów lat. Ziemia na początku swego istnienia, była tak gorąca, że wszystko na niej ulegało stopieniu. Po 500 milionach lat Ziemia ochłodziła się do tego stopnia, ze mogły tworzyć się oceany, a planeta stawała się zdolną do zamieszkania. Następnie, w oceanach pojawiły się prymitywne formy życia. Zajęło jednak ogromnie długi okres (około 4 000 milionów lat) aby z tych prymitywnych form życia rozwinęły się rośliny, następnie zwierzęta i w końcu ludzie.

Ludzie żyją na Ziemi zaledwie od 4 milionów lat. I jedynie przez mniej niż ostatnie 100 lat ludzkość zdobyła wiedzę o strukturze Wszechświata, w jaki sposób on powstał w Wielkim Wybuchu.

Warunki na Ziemi okazały się dokładnie takie jak trzeba. Temperatura jest właściwa dla wody w stanie ciekłym, Ziemia jest wystarczająco blisko Słońca, aby móc korzystać z jego energii, mamy tlen do oddychania, a Księżyc stabilizuje nasz klimat.

Ilustracja pokazuje zjawiska naturalne. którym zawdzięczamy życie na Ziemi. Źródło: California Space Institute

Wielu uczonych sądzi, że istnieje życie poza Ziemią. Mając miliardy innych układów gwiezdnych byłoby rzeczą absurdalną wierzyć, że Ziemia jest jedyną planetą, na której mogło powstać życie. W naszym układzie słonecznym najbardziej prawdopodobnymi miejscami, w których mogły powstać prymitywne formy życia są Mars i jeden z księżyców Jowisza. Istnieją dane, że na Marsie istniała w przeszłości woda. Uczeni sądzą też, że poniżej lodowej powierzchni znajduje się gigantyczny ocean.

Do roku 2011 odkryto ponad 500 planet spoza układu słonecznego i wciąż odkrywamy nowe. Na niektórych z nich mogą akurat znajdować się warunki dla życia. Być może, mogłyby też istnieć cywilizacje znacznie bardziej rozwinięte od naszej. Niektórzy jednak sądzą, że gdyby było tak wiele istot pozaziemskich, w jakiś sposób już widzielibyśmy je. Nazywamy to paradoksem Fermiego, gdyż właśnie Enrico Fermi podał tę myśl jako pierwszy. Najłatwiejszym tu do przyjęcia wyjaśnieniem jest, że przeogromne odległości między cywilizacjami nie pozwalają im na kontaktowanie się. Nawet gdyby istniało gdzieś daleko 1000 rozwiniętych cywilizacji, od których jesteśmy oddaleni o 1000 lat świetlnych, mało prawdopodobne, że któreś z nich wpadnie na Ziemię z wizytą.

Niektórzy uczeni uważają, że mieliśmy niezwykłe szczęście, że z nieskończonej liczby możliwości rozwoju Wszechświata tak się złożyło, że akurat nam przytrafiły się właściwe warunki przeżycia. Na przykład, w chwili Wielkiego Wybuchu istniała tylko bardzo niewielka nadwyżka (jedna miliardowa) materii nad antymaterią. Gdyby ich było tyle samo, cała materia i antymateria zniknęłyby w procesie anihilacji tworząc promieniowanie, a Wszechświat stałby się nudnym, nie posiadającym w sobie niczego konkretnego, w tym nas samych. Gdyby nadwyżka materii była tylko trochę większa lub mniejsza niż ta, z którą mamy do czynienia, żadne życie nie byłoby możliwe. Gdyby była troszkę większa, Wszechświat uległby zapaści z powodu sił grawitacji. Nie byłoby po prostu czasu na rozwinięcie się życia. Z drugiej strony, gdyby ten nadmiar był tylko troszkę mniejszy, rozszerzanie się Wszechświata byłoby tak szybkie, że nie mogłyby być utworzone żadne zwarte obiekty, a Wszechśwwiat zawierałby jedynie cząstki elementarne.