Prije približno 13,8 milijardi godina svemir je bio mnogo topliji i gušći nego danas. Model Velikog praska opisuje njegovo širenje i hlađenje, iz kojih su postupno nastali atomi, zvijezde i galaksije. No ne daje konačan odgovor na pitanje kako je svemir nastao ni je li vrijeme imalo početak.
Širenje prostora, a ne eksplozija
Veliki prasak nije eksplozija u već postojećem praznom prostoru. Model opisuje širenje samog prostora iz ranog vrućeg i gustog stanja. Ne treba ga zamišljati kao prasak iz jedne točke prema okolnoj praznini.
Opća teorija relativnosti omogućuje opis tog širenja. Njezina primjena na krajnje rane uvjete, međutim, ne dokazuje da tada nastaje samo vrijeme: za razumijevanje takvih uvjeta potreban je i opis kvantnih učinaka gravitacije.
Kako je sve počelo: od hipoteze do teorije
Zamisao o svemiru koji se širi pojavila se početkom 20. stoljeća, kada belgijski fizičar i svećenik Georges Lemaître predlaže da je svemir nastao iz “prvobitnog atoma”. Njegov rad u početku nije bio ozbiljno shvaćen, sve dok američki astronom Edwin Hubble nije 1929. objavio svoja opažanja koja pokazuju da se galaksije udaljavaju od Zemlje. Taj fenomen širenja svemira implicira da je u prošlosti bio sabijen u jedno izuzetno gusto stanje.
Ključna potvrda teorije dolazi 1965. godine, kada američki fizičari Arno Penzias i Robert Wilson nenamjerno otkrivaju kozmičko mikrovalno pozadinsko zračenje — toplinski ostatak iz vremena kad je svemir bio star svega 380.000 godina. To zračenje danas služi kao jedan od najsnažnijih dokaza da se Veliki prasak doista dogodio.
Prva sekunda svemira
Najraniju fazu ne možemo pouzdano rekonstruirati današnjim teorijama. Inflacija je hipoteza prema kojoj je vrlo rano došlo do kratkog razdoblja iznimno brzog širenja prostora. Njezino trajanje i uzrok nisu utvrđeni.
Nakon inflacije, temperatura je još uvijek bila dovoljno visoka da prostor ispunjavaju najosnovnije čestice: kvarkovi, gluoni, elektroni, fotoni i neutrini. U prvih nekoliko sekundi kvarkovi se spajaju u protone i neutrone, a nakon otprilike tri minute dolazi do nukleosinteze — procesa u kojem se formiraju jezgre najlakših elemenata: vodika, helija i tragovi litija. Zastupljenost lakih elemenata važan je test modela ranog svemira.
Što objašnjava hipoteza inflacije
Inflacija nudi objašnjenje za gotovo jednaku temperaturu kozmičkog pozadinskog zračenja u različitim smjerovima i približnu prostornu ravnost svemira. U tim modelima kvantne fluktuacije postaju začetci kasnijih struktura. No provjera hipoteze inflacije i dalje je predmet istraživanja.
Teoriju inflacije razvio je početkom 1980-ih Alan Guth, a kasnije ju je detaljno razradio Andrei Linde. Prema toj teoriji, prostor sam po sebi širi se brže od brzine svjetlosti — što ne krši Einsteinova pravila jer se ne radi o kretanju tvari kroz prostor, već o širenju prostora samog.
Kada je svjetlost prvi put postala “slobodna”
Tek nakon otprilike 380.000 godina, svemir se dovoljno ohladio da elektroni prestanu slobodno lutati i počnu se trajno vezivati za atomske jezgre. Formiraju se prvi neutralni atomi, što omogućuje svjetlosti da se nesmetano širi kroz prostor. Do tada su fotoni stalno sudarali s nabijenim česticama, ali sada mogu putovati slobodno — i mnogi od njih i dalje putuju svemirom. Upravo ti drevni fotoni danas čine kozmičko mikrovalno pozadinsko zračenje koje detektiramo sa Zemlje kao gotovo jednoliku mikrovalnu svjetlost iz svih smjerova.
Zahvaljujući misijama poput COBE, WMAP i ESA-inog satelita Planck, znanstvenici su uspjeli mapirati to zračenje do mikrokelvinske preciznosti. Male fluktuacije u temperaturi na tim mapama otkrivaju raspodjelu gustoće u ranom svemiru — strukture koje su tijekom milijardi godina evoluirale u galaksije, klastere i praznine koje danas opažamo.
Što je Veliki prasak ostavio za sobom
Ostaci Velikog praska nisu samo svjetlost i omjeri elemenata. Svemir kakav danas poznajemo — njegove velike strukture, zakrivljenost prostora, raspodjela tamne tvari — sve to proizlazi iz početnih uvjeta definiranih u prvim sekundama postojanja.
Čak i zakoni fizike kakve poznajemo — četiri osnovne sile (gravitacija, elektromagnetska, jaka i slaba nuklearna) — vjerojatno su se međusobno razdvojili tijekom rane faze širenja. Mnoge teorije predlažu da su sile u početku bile objedinjene, a odvajale su se kako je temperatura padala. Danas to pokušavamo opisati teorijama velike unifikacije.
Što je bilo prije?
Ne znamo je li vrućoj ranoj fazi prethodilo neko drugo stanje ni ima li pojam “prije” smisla u konačnom opisu nastanka svemira. Kako navodi NASA, nije poznato ni što je prethodilo inflaciji ni što ju je pokrenulo. Postoje različite hipoteze, uključujući cikličke modele, ali nijedna ne daje potvrđen odgovor.
Iako nijedna od tih hipoteza nije potvrđena, one predstavljaju aktivna područja istraživanja u modernoj fizici.
Zašto je Veliki prasak i dalje temelj moderne kozmologije
Model Velikog praska temelj je opisa kozmičke evolucije. Širenje svemira, kozmičko mikrovalno pozadinsko zračenje i zastupljenost lakih elemenata pružaju snažne dokaze za njegovu vruću i gustu ranu fazu.
Slika galaksije IC 5332 kako ju snimio svemirski teleskop James Webb (©ESA/Webb, NASA & CSA, J. Lee et al).
To ne znači da su riješena sva pitanja. Priroda tamne tvari i tamne energije te najraniji uvjeti svemira ostaju otvoreni problemi.
Dokazi za širenje i hlađenje ranog svemira mnogo su čvršći od naših pretpostavki o njegovu krajnjem početku. Ta je razlika važna: uspjeh modela ne znači da znamo kako je nastalo sve što postoji.
