Suure paugu teooria mõistmine

Suure paugu teooria on domineeriv universumi päritolu teooria. Sisuliselt väidab see teooria, et universum sai alguse alguspunktist ehk singulaarsusest, mis on miljardite aastate jooksul laienenud, et moodustada universum sellisena, nagu me seda nüüd teame.

1922. aastal leidis vene kosmoloog ja matemaatik nimega Alexander Friedman, et lahendused Albert Einstein's üldrelatiivsus väljavõrrandid andsid tulemuseks laieneva universumi. Staatilise, igavese universumi usklikuna lisas Einstein oma võrranditesse kosmoloogilise konstandi, "parandades" selle "vea" ja välistades sellega laienemise. Hiljem kutsus ta seda oma elu suurimaks rämpsuks.

Tegelikult oli laieneva universumi toetuseks juba vaatluslikke tõendeid. Aastal 1912 vaatas Ameerika astronoom Vesto Slipher spiraalset galaktikat - mida tol ajal peeti spiraalseks udukoguks, kuna astronoomid ei teadnud veel, et väljaspool galaktikaid on LinnuteeJa salvestas oma punane nihe, valgusallika nihkumine valgusspektri punase otsa poole. Ta täheldas, et kõik sellised udukogud olid Maast kaugemal. Need tulemused olid sel ajal üsna vaieldavad ja nende täielikku mõju ei võetud arvesse.

Aastal 1924 astronoom Edwin Hubble suutis mõõta nende "udukogu" vahelist kaugust ja avastas, et nad olid nii kaugel, et tegelikult ei olnud nad Linnutee osa. Ta oli avastanud, et Linnutee on vaid üks paljudest galaktikatest ja et need "udud" on tegelikult omaette galaktikad.

Rooma katoliku preester ja füüsik Georges Lemaitre arvutas 1927. aastal iseseisvalt Friedmani lahenduse ja soovitas taas universumit laiendada. Seda teooriat toetas Hubble, kui ta leidis 1929. aastal, et galaktikate kauguse ja punane nihe selle galaktika valguses. Kaugemad galaktikad eemaldusid kiiremini, mis oli täpselt see, mida Lemaitre lahendused ennustasid.

1931. aastal läks Lemaitre oma ennustustega kaugemale, ekstrapoleerides ajas tagasi, leides, et universumi aine jõuab lõpmatu tiheduseni ja temperatuurini piiratud ajahetkel minevikus. See tähendas, et universum pidi algama uskumatult väikeses, tihedas mateeriapunktis, mida nimetatakse "ürgseks aatomiks".

See, et Lemaitre oli roomakatoliku preester, muretses mõnda, kuna ta esitas välja teooria, mis esitas universumile kindla "loomise" hetke. 1920. ja 1930. aastatel kaldus enamik füüsikuid - nagu Einstein - uskuma, et universum on alati olemas olnud. Sisuliselt pidasid suure paugu teooriat paljud inimesed liiga religioosseks.

Kui korraga esitati mitu teooriat, oli see tegelikult ainult Fred Hoyle'i oma püsiseisundi teooria mis pakkus Lemaitre teooriale tõelist konkurentsi. Irooniline oli see, et Hoyle lõi 1950ndate raadiosaate ajal fraasi "Suur Pauk", kavatsedes seda Lemaitre'i teooria hävitava terminina.

Püsiseisundi teooria ennustas seda uut oluline loodi selliselt, et universumi tihedus ja temperatuur püsisid aja jooksul muutumatuna, isegi kui universum paisus. Hoyle ennustas ka, et vesinikust ja heeliumist moodustuvad tihedamad elemendid protsessi käigus tähe nukleosüntees, mis on erinevalt püsiseisundi teooriast osutunud täpseks.

George Gamow - üks Friedmani õpilastest - oli suure paugu teooria peamine pooldaja. Koos kolleegide Ralph Alpheri ja Robert Hermaniga ennustas ta kosmilise mikrolaine tausta (CMB) kiirgus, mis on kiirgus, mis peaks eksisteerima kogu universumis Suure jäänusena Bang. Kuna aatomid hakkasid moodustama rekombinatsiooni ajastu, võimaldasid nad mikrolainekiirgusel (valguse vorm) liikuda läbi universumi ja Gamow ennustas seda mikrolainekiirgus oleks täna veel jälgitav.

Arutelu jätkus 1965. aastani, kui Arno Penzias ja Robert Woodrow Wilson komistasid Bell Telephone Laboratoriesis töötades CMB-le. Nende raadiostronoomia ja satelliitside jaoks kasutatav Dicke radiomeeter saavutas temperatuuri 3,5 K (lähedane Alpheri ja Hermani prognoosiga 5 K).

1960-ndate aastate lõpus ja 1970-ndate alguses üritasid mõned püsiseisundi füüsika pooldajad seda leidu selgitada eitades suure paugu teooriat, kuid kümnendi lõpuks oli selge, et KMA kiirgusel pole muud usutavat seletus. Selle avastuse eest said Penzias ja Wilson 1978. aastal Nobeli füüsikapreemia.

Teatud mured jäid siiski seoses suure paugu teooriaga. Üks neist oli homogeensuse probleem. Teadlased küsisid: miks näeb universum energia poolest identne välja, sõltumata sellest, millises suunas see välja näeb? Suure paugu teooria ei anna varase universumi jaoks aega jõudmiseks termiline tasakaal, nii et kogu universumis peaksid olema erinevused energias.

1980. aastal tegi Ameerika füüsik Alan Guth ametlikult ettepaneku inflatsiooniteooria selle ja muude probleemide lahendamiseks. See teooria ütleb, et Suurele Paugule järgnenud varajastel hetkedel toimus tärkava universumi äärmiselt kiire laienemine, mida ajendas "negatiivse rõhu vaakumi energia" (mis võib olema mingil moel seotud praeguste teooriatega tume energia). Pärast seda on teised välja pakkunud ka kontseptsioonilt sarnased, kuid pisut erinevate detailidega inflatsiooniteooriad.

NASA poolt 2001. aastal alanud Wilkinsoni mikrolaine anisotroopiaanduri (WMAP) programm on esitanud tõendeid, mis toetavad tugevalt inflatsiooniperioodi varases universumis. Need tõendid on eriti tugevad 2006. aastal avaldatud kolmeaastaste andmete osas, ehkki teooriaga on endiselt väheseid vastuolusid. 2006. aasta Nobeli füüsikapreemia pälvis John C. Mather ja George Smoot, kaks WMAP-projekti võtmetöötajat.

Ehkki valdav enamus füüsikuid aktsepteerib Suure Paugu teooriat, on selle suhtes siiski mõned väikesed küsimused. Kõige olulisemad on aga küsimused, millele teooria ei suuda isegi proovida vastata:

• Mis eksisteeris enne Suurt Pauku?
• Mis põhjustas suure paugu?
• Kas meie universum on ainus?

Nendele küsimustele võivad vastused olemas olla ka väljaspool füüsikat, kuid nad on sellest hoolimata põnevad ja sellised vastused nagu multiverse hüpotees pakub huvitavat spekulatsioonivaldkonda nii teadlastele kui ka mitteteadlastele.

Kui Lemaitre pakkus algselt välja oma vaatluse varajase universumi kohta, nimetas ta seda universumi varajast olekut ürgseks aatomiks. Aastaid hiljem rakendaks George Gamow selle jaoks nime ylem. Seda on nimetatud ka ürgseks aatomiks või isegi kosmiliseks munaks.