Pada mulanya, Alam Semesta berkembang dengan sangat cepat.
(Imej: © Flickr / Jamie, CC BY-SA)
Paul Sutter adalah ahli astrofizik di The Ohio State University dan ketua saintis di pusat sains COSI. Sutter juga merupakan tuan rumah Ask a Spaceman and Space Radio, dan memimpinAstroTours di seluruh dunia. Sutter menyumbangkan artikel ini kepada Pakar Suara Space.com: Op-Ed & Wawasan.
Pada 13.8 bilion tahun yang lalu, seluruh alam semesta kita yang dapat dilihat adalah seukuran buah persik dan memiliki suhu lebih dari satu trilion darjah.
Itu pernyataan yang cukup mudah, tetapi sangat berani untuk dibuat, dan itu bukan pernyataan yang dibuat dengan ringan atau mudah. Memang, walaupun seratus tahun yang lalu, itu terdengar tidak masuk akal, tetapi di sini kita, mengatakan bahawa ia seperti bukan masalah besar. Tetapi seperti dalam sains, pernyataan ringkas seperti ini dibina dari pelbagai bukti yang bebas yang semuanya menunjukkan kesimpulan yang sama - dalam kes ini, Big Bang, model sejarah alam semesta kita. [The Universe: Big Bang to Now dalam 10 Langkah Mudah]
Tetapi, seperti yang mereka katakan, jangan mengambil kata-kata saya untuk itu. Berikut adalah lima bukti untuk Big Bang:
# 1: Langit malam gelap
Bayangkan sejenak bahawa kita hidup di alam semesta yang tidak terhingga, baik dalam masa dan ruang. Koleksi bintang-bintang yang berkilauan berlangsung selama-lamanya di setiap arah, dan alam semesta selalu ada dan akan selalu ada. Itu bermaksud di mana sahaja anda melihat ke langit - pilih saja arah rawak dan menatap - anda pasti akan menemui bintang di luar sana, di suatu tempat, pada jarak tertentu. Itulah hasil alam semesta yang tidak dapat dielakkan.
Dan jika alam semesta yang sama telah ada selama-lamanya, maka ada banyak waktu untuk cahaya dari bintang itu, merangkumi kosmos dengan kelajuan c yang agak perlahan, untuk mencapai bola mata anda. Bahkan kehadiran debu yang mengganggu tidak akan mengurangkan cahaya terkumpul dari tak terbatas bintang yang tersebar di kosmos yang sangat besar.
Ergo, langit harus dibakar dengan cahaya gabungan banyak bintang. Sebaliknya, kebanyakannya kegelapan. Kekosongan Tidak sah. Kegelapan. Anda tahu, ruang.
Ahli fizik Jerman, Heinrich Olbers, mungkin bukan orang pertama yang memperhatikan paradoks ini, tetapi namanya berpegang pada idea: Ia dikenali sebagai Olbers 'paradoks. Resolusi mudah? Sama ada alam semesta ini tidak terbatas atau tidak pada waktunya. Atau mungkin juga tidak.
# 2: Quasar ada
Sebaik sahaja para penyelidik mengembangkan teleskop radio sensitif, pada tahun 1950-an dan 60-an, mereka melihat sumber radio yang kuat di langit. Melalui penutupan astronomi yang signifikan, para saintis menentukan bahawa sumber radio kuasi-bintang ini, atau "quasar," adalah galaksi aktif yang sangat jauh tetapi tidak terang.
Apa yang paling penting untuk perbincangan ini adalah bahagian "sangat jauh" dari kesimpulan itu.
Oleh kerana cahaya memerlukan masa untuk bergerak dari satu tempat ke tempat lain, kita tidak melihat bintang dan galaksi seperti sekarang, tetapi seperti yang terjadi pada ribuan, jutaan atau bilion tahun yang lalu. Ini bermaksud bahawa melihat ke dalam alam semesta juga melihat ke dalam masa lalu. Kami melihat banyak quasar di kosmos yang jauh, yang bermaksud objek ini sangat biasa berbilion tahun yang lalu. Tetapi hampir tidak ada quasar di kawasan tempatan kami yang terkini. Dan mereka cukup umum di alam semesta yang jauh (iaitu muda) sehingga kita harus melihat lebih banyak lagi di sekitar kita.
Kesimpulan mudah: Alam semesta berbeza pada masa lalu daripada yang ada sekarang.
# 3: Ia semakin besar
Kita hidup di alam semesta yang berkembang. Rata-rata, galaksi semakin jauh dari galaksi lain. Pasti, beberapa perlanggaran kecil berlaku dari interaksi graviti yang tersisa, seperti bagaimana Bima Sakti akan bertembung dengan Andromeda dalam beberapa bilion tahun. Tetapi pada skala besar, hubungan pengembangan yang sederhana ini berlaku. Inilah yang ditemui oleh ahli astronomi Edwin Hubble pada awal abad ke-20, sejurus setelah mendapati bahawa "galaksi" sebenarnya adalah sesuatu. [Crash Head-On Galaxy Bima Sakti dengan Andromeda: Gambar Artis]
Di alam semesta yang berkembang, peraturannya mudah. Setiap galaksi surut dari (hampir) setiap galaksi lain. Cahaya dari galaksi yang jauh akan berubah merah - panjang gelombang cahaya yang mereka lepaskan akan menjadi lebih lama, dan dengan itu lebih merah, dari perspektif galaksi lain. Anda mungkin tergoda untuk berfikir bahawa ini disebabkan oleh pergerakan galaksi individu yang melaju di sekitar alam semesta, tetapi matematik tidak bertambah.
Jumlah pergeseran merah untuk galaksi tertentu berkaitan dengan sejauh mana jaraknya. Galaksi yang lebih dekat akan mendapat sejumlah perubahan warna merah. Galaksi dua kali lebih jauh akan mendapat dua kali pergeseran merah. Empat kali jaraknya? Betul, empat kali pergeseran merah. Untuk menjelaskan ini dengan hanya galaksi-galaksi yang berpusing-pusing, harus ada konspirasi yang sangat aneh di mana semua warga galaksi di alam semesta bersetuju untuk bergerak dalam corak yang sangat spesifik ini.
Sebaliknya, ada penjelasan yang jauh lebih mudah: Gerakan galaksi disebabkan oleh peregangan ruang antara galaksi tersebut.
Kita hidup di alam semesta yang dinamis dan berkembang. Ia lebih kecil pada masa lalu dan akan lebih besar pada masa akan datang.
# 4: Sinaran peninggalan
Mari bermain permainan. Anggaplah alam semesta lebih kecil pada masa lalu. Itu bermaksud lebih padat dan panas, bukan? Betul - semua kandungan kosmos akan dikumpulkan dalam ruang yang lebih kecil, dan kepadatan yang lebih tinggi bermaksud suhu yang lebih tinggi.
Pada titik tertentu, ketika alam semesta, katakanlah, sejuta kali lebih kecil dari sekarang, semuanya pasti akan dihancurkan bersama sehingga menjadi plasma. Dalam keadaan itu, elektron tidak terikat dari inang nuklearnya dan bebas untuk berenang, semua perkara itu bermandikan sinaran bertenaga tinggi.
Tetapi ketika alam semesta bayi berkembang, ia akan menjadi sejuk di mana, tiba-tiba, elektron dapat menetap dengan selesa di sekitar nukleus, menjadikan atom hidrogen dan helium lengkap pertama. Pada masa itu, sinaran yang kuat akan berkeliaran tanpa henti di alam semesta yang baru nipis dan telus. Dan ketika alam semesta berkembang, cahaya yang mulai benar-benar putih-panas akan menyejuk, menyejukkan, menyejukkan hingga beberapa darjah di atas sifar mutlak, meletakkan panjang gelombang dengan kuat dalam julat gelombang mikro.
Dan ketika kita menunjuk teleskop gelombang mikro kita ke langit, apa yang kita lihat? Mandi sinaran latar belakang, mengelilingi kita di semua sisi dan hampir sama seragam (hingga satu bahagian dalam 100,000!) Ke semua arah. Gambar bayi mengenai alam semesta. Kad pos dari zaman yang sudah lama mati. Cahaya dari masa yang hampir sama tua dengan alam semesta itu sendiri.
# 5: Ini unsur
Tolak jam ke belakang lebih jauh daripada pembentukan latar gelombang mikro kosmik, dan pada satu ketika, keadaannya sangat sengit, sangat gila sehingga tidak ada proton dan neutron. Ini hanya sup bahagian asas mereka, quark dan gluon. Tetapi sekali lagi, ketika alam semesta berkembang dan disejukkan dari beberapa minit pertama keberadaannya, inti paling ringan, seperti hidrogen dan helium, membeku dan terbentuk.
Kami mempunyai pegangan yang cukup baik mengenai fizik nuklear pada masa ini, dan kita dapat menggunakan pengetahuan itu untuk meramalkan jumlah relatif unsur paling ringan di alam semesta kita. Ramalan: Sup pembekuan itu seharusnya menghasilkan hidrogen kira-kira tiga per empat, helium seperempat dan sebilangan kecil "lain."
Cabaran itu kemudian dihadapi para astronom, dan apa yang mereka dapati? Alam semesta yang terdiri, kira-kira, hidrogen tiga perempat, helium seperempat dan peratusan yang lebih kecil dari "yang lain." Bingo.
Sudah tentu ada lebih banyak bukti. Tetapi ini hanyalah titik permulaan untuk gambaran kosmos Big Bang moden kita. Beberapa bukti yang bebas menunjukkan kesimpulan yang sama: Alam semesta kita berusia sekitar 13.8 bilion tahun, dan pada satu masa, ukurannya adalah buah persik dan suhu lebih dari satu trilion darjah.
Ketahui lebih lanjut dengan mendengar episod "Apa yang berlaku apabila galaksi bertabrakan?" pada podcast Ask A Spaceman, tersedia di iTunes dan di Web di http://www.askaspaceman.com. Terima kasih kepada Mike D., Tripp B., Sedas S., Isla, dan Patrick D. untuk soalan yang membawa kepada karya ini! Tanyakan soalan anda sendiri di Twitter menggunakan #AskASpaceman atau dengan mengikuti Paul @PaulMattSutter dan facebook.com/PaulMattSutter. Ikuti kami @Spacedotcom, Facebook dan Google+. Artikel asal di Space.com.
