Kai žmonės išgirsta žodžių junginį „Didysis sprogimas“, dažniausiai įsivaizduoja kažką panašaus į fejerverką – trenksmą, liepsną, gal net garsą, sklindantį per tuštumą. Iš tikrųjų realybė kur kas keistesnė ir sunkiau suvokiama nei bet koks Holivudo scenarijus. Tai nebuvo sprogimas erdvėje – tai buvo pačios erdvės atsiradimas ir jos plėtimasis. Ir nors sąvoka skamba dramatiškai, mokslininkai iki šiol ginčijasi, ar pats terminas apskritai tinkamai atspindi tai, kas iš tikrųjų nutiko prieš maždaug 13,8 milijardo metų.
Kodėl teorija apskritai vadinama „sprogimu“
Įdomu tai, kad terminą „Big Bang“ 1949 metais per radijo laidą pavartojo britų astronomas Fredas Hoylas – ir pavartojo jį pašaipiai. Hoylas pats laikėsi visiškai kitokios, vadinamosios pastovios būsenos (steady state) teorijos, pagal kurią visata neturi nei pradžios, nei pabaigos. Jam idėja, kad visata kadaise buvo susispaudusi į begalinio tankio tašką, atrodė absurdiška, todėl jis pavadino ją paniekinamai. Bet pavadinimas prigijo, ir šiandien niekas nebeprisimena, kad iš pradžių tai buvo sarkazmas.
Verta atsiminti, kad Didysis sprogimas nėra taškas erdvėje, į kurį galima parodyti pirštu ir pasakyti „štai čia tai atsitiko“. Tai atsitiko visur vienu metu, nes tuo momentu visa visatos medžiaga ir erdvė buvo suspausta į vieną vienintelį tašką – arba, tiksliau kalbant, visata pati buvo tas taškas. Klausimas „kas buvo prieš Didįjį sprogimą“ fizikams kelia galvos skausmą, nes tuo momentu pats laikas, kaip mes jį suprantame, dar neegzistavo.
Belgas kunigas, kuris apskaičiavo visatos pradžią anksčiau nei visi kiti
Nors dažnai Didysis sprogimas siejamas su Edwinu Hubble’u, iš tikrųjų pirmasis matematinį pagrindą tam pateikė belgų kunigas ir fizikas Georges’as Lemaître’as dar 1927 metais. Jis, remdamasis Einšteino bendrosios reliatyvumo teorijos lygtimis, priėjo prie išvados, kad visata plečiasi, ir pasiūlė idėją apie „pirminį atomą“ – itin tankią pradinę būseną, iš kurios išsivystė viskas, ką dabar matome. Kunigas ir mokslininkas viename asmenyje – gan neįprastas derinys šiuolaikinei visuomenei, bet tuo metu tai netgi kėlė papildomų klausimų: ar mokslininkas, tikintis Dievą, gali objektyviai tirti visatos kilmę? Lemaître’as pats sakė, kad mokslas ir tikėjimas jam nesikerta, o veikia skirtingose plotmėse.
Kelios metais vėliau Hubble’as atliko stebėjimus, kurie patvirtino teorinę prielaidą – tolimos galaktikos tolsta nuo mūsų, ir kuo jos toliau, tuo greičiau tolsta. Tai buvo pirmasis tiesioginis empirinis įrodymas, kad visata iš tikrųjų plečiasi, o ne yra statiška, kaip ilgą laiką manė net pats Einšteinas.
Visatos plėtimasis – ne tai, ką įsivaizduojate
Dažna klaida, kurią daro net gerai išsilavinę žmonės – įsivaizduoti visatos plėtimąsi kaip sprogimą, kai medžiaga skrenda per jau egzistuojančią tuščią erdvę. Iš tikrųjų plečiasi pati erdvė. Įsivaizduokite razinų pyragą, kepamą orkaitėje – kai tešla kyla, razinos tolsta viena nuo kitos ne todėl, kad juda per tešlą, o todėl, kad pati tešla tarp jų plečiasi. Panašiai galaktikos tolsta viena nuo kitos ne todėl, kad „skrenda“ kažkur, o todėl, kad erdvė tarp jų nuolat auga.
Šis efektas turi ir dar keistesnę pasekmę: kadangi erdvė plečiasi visur vienodai, iš bet kurio taško visatoje atrodytų, kad būtent jis yra centras, o visos kitos galaktikos tolsta nuo jo. Tai reiškia, kad visata neturi jokio išskirtinio centro – arba, kitaip sakant, kiekvienas taškas gali būti laikomas centru vienodai pagrįstai.
Reliktinė spinduliuotė – seniausia „nuotrauka“, kokią turime
Vienas stipriausių Didžiojo sprogimo teorijos įrodymų buvo atrastas gana atsitiktinai. 1964 metais du inžinieriai iš Bell Labs, Arno Penzias ir Robertas Wilsonas, bandydami sukalibruoti radijo anteną, aptiko keistą, nepašalinamą triukšmą, sklindantį iš visų dangaus krypčių vienodai. Ilgą laiką jie manė, kad tai gedimas ar net balandžių ekskrementai antenoje (tikrai taip – jie net išvalė anteną, manydami, kad problema dingsis). Pasirodo, tai buvo reliktinė mikrobangų spinduliuotė – šviesa, likusi nuo laikų, kai visata turėjo vos 380 tūkstančių metų.
Tuo metu visata atvėso pakankamai, kad elektronai galėtų susijungti su protonais ir sudaryti pirmuosius atomus – procesas, vadinamas rekombinacija. Iki tol visata buvo neskaidri, panaši į tirštą rūką, nes šviesa nuolat sklaidydavosi nuo laisvų elektronų. Kai atomai susiformavo, šviesa galiausiai galėjo laisvai keliauti – ir būtent tą šviesą, dabar smarkiai išsitempusią ir atvėsusią iki vos 2,7 laipsnio virš absoliutaus nulio, mes ir matuojame šiandien kaip reliktinę spinduliuotę. Tai savotiška „nuotrauka“ ankstyviausios visatos, kurią galime tiesiogiai stebėti.
Ką iš tikrųjų žinome, o ką tik spėjame
Reikia sąžiningai pripažinti – teorija turi ir spragų. Patys pirmieji sekundės dalies momentai po Didžiojo sprogimo, vadinamoji Planko era, mokslui iš esmės lieka nežinoma teritorija, nes esamos fizikos dėsniai tiesiog nustoja veikti tokiomis sąlygomis. Reikėtų kvantinės gravitacijos teorijos, kurios kol kas neturime, kad galėtume aprašyti, kas iš tikrųjų vyko per pirmąsias 10⁻⁴³ sekundės.
Taip pat egzistuoja infliacijos hipotezė – idėja, kad visata per neįtikėtinai trumpą laiką po pradinio momento patyrė eksponentinį, beveik neįsivaizduojamą plėtimosi šuolį. Ši hipotezė padeda paaiškinti keletą stebėjimais patvirtintų dalykų, tarp jų – kodėl visata atrodo tokia „lygi“ visomis kryptimis, tačiau pati infliacija kol kas nėra galutinai patvirtinta ir kelia diskusijų tarp fizikų.
Dar viena mįslė – tamsioji medžiaga ir tamsioji energija, kurios kartu sudaro apie 95 procentus visos visatos „turinio“, tačiau kurių prigimtis mums iš esmės nežinoma. Mes matuojame jų poveikį – galaktikų sukimosi greitį, visatos plėtimosi pagreitį – tačiau tiesiogiai jų aptikti kol kas nepavyko.
Kaip apie tai kalbama Lietuvoje
Lietuvoje kosmologija ir astrofizika ilgą laiką buvo palyginti nišinė sritis, tačiau Vilniaus universiteto Teorinės fizikos ir astronomijos institutas turi ilgametes tradicijas šioje srityje – dar sovietiniais metais čia dirbo mokslininkai, prisidėję prie kosmologinių tyrimų, nors, žinoma, tai buvo gerokai apribota ideologinių rėmų. Šiandien lietuviai astrofizikai dalyvauja tarptautiniuose projektuose, tarp jų – ir su Europos kosmoso agentūra susijusiuose tyrimuose, susijusiuose su reliktine spinduliuote bei visatos struktūros modeliavimu.
Populiarinant mokslą Lietuvoje, Didysis sprogimas dažnai tampa tiltu tarp tikslaus mokslo ir filosofinių svarstymų apie visatos kilmę – panašiai kaip ir Lemaître’o atveju, čia neišvengiamai susikerta mokslas su egzistenciniais klausimais. Planetariumuose, tokiuose kaip Vilniaus ar Šiaulių, ši tema visada sulaukia didelio susidomėjimo, ypač jaunimo, kuriam vizualizacijos ir modeliai padeda suprasti sunkiai įsivaizduojamus mastelius.
Vietoj taško – kelios mintys pabaigai apie tai, kas mus visus sieja
Jei kada nors sunku suvokti, kodėl reikėtų domėtis kažkuo, kas nutiko prieš 13,8 milijardo metų, verta prisiminti vieną paprastą, bet keistai jaudinantį faktą: kiekvienas atomas jūsų kūne – kalcis kauluose, geležis kraujyje, deguonis, kurį kvėpuojate – buvo iškaltas žvaigždžių viduje arba, dar giliau, susiformavo per pirmąsias minutes po Didžiojo sprogimo. Kaip mėgo sakyti astronomas Carlas Saganas, mes visi esame „žvaigždžių dulkės“, ir tai nėra poetinė metafora, o tikslus fizikinis teiginys.
Jei norite patys geriau suprasti šią temą, patariu pradėti ne nuo sudėtingų matematinių lygčių, o nuo paprasto stebėjimo – naktį, tamsiame danguje, pažvelgti į žvaigždes ir suvokti, kad žiūrite į praeitį. Kai kurių žvaigždžių šviesa keliavo tūkstančius metų, kol pasiekė jūsų akį. O reliktinė spinduliuotė, kurią galima „pamatyti“ net paprastu televizoriaus triukšmu tarp kanalų (tikrai – dalis to sniego efekto ekrane yra būtent ta senovinė šviesa), yra dar senesnis pranešimas iš praeities.
Didysis sprogimas nėra užbaigta istorija su tvarkingu galu – tai gyva, besivystanti teorija, kurią kasmet papildo nauji teleskopai, nauji matavimai ir naujos, dažnai netikėtos mįslės. Ir galbūt būtent tai ir daro ją tokią patrauklią – ji primena, kad net tokiose atrodytų galutinėse temose kaip visatos pradžia, mokslas niekada nesustoja klausinėti „o kodėl?“.
