Big bang, som på norsk kalles det store smellet, er en form for eksplosjon der vårt univers oppsto for 13,8 milliarder år siden.
Ordet «eksplosjon» har en helt spesiell betydning i denne sammenhengen. Det er snakk om en rask ekspansjon som skjedde overalt i hele rommet. Tid, rom og materie oppsto i big bang-hendelsen, og rommet har siden utvidet seg.
- Les mer om universets fortid, nåtid og fremtid: kosmologi
Uttrykket big bang ble første gang brukt av Fred Hoyle i et radioprogram i BBC i 1949.
En kombinasjon av målinger og beregninger gir grunnlag for å hevde at universets historie begynte med et big bang. Målinger har vist at universet utvider seg, og at det stadig blir kaldere. Det var større tetthet, høyere temperatur og mindre avstander lenger tilbake i tid. Regner vi oss bakover, finner vi at avstandene var null for 13,8 milliarder år siden. Universet var da i en tilstand av ekstremt høy tetthet og temperatur.
Vi vet ikke hva som eksisterte før big bang, men mange fysikere mener at universet var i en kaotisk tilstand med såkalte kvantefluktuasjoner før big bang. Deretter oppsto spontant en kosmisk eksplosjon som markerte starten på vårt univers.
Vår tids beskrivelse av universets utvikling fra big bang og videre er konstruert ved hjelp av relativitetsteorien. Beskrivelser av universet som bygger på relativitetsteorien kalles «relativistiske universmodeller».
Utdyping
I løpet av årene etter 1980 er det utviklet et mer nyansert bilde av universets startøyeblikk. I denne sammenhengen er to poenger av stor betydning.
Det første er at relativitetsteorien har begrenset gyldighetsområde. Den er en såkalt klassisk (ikke kvantemekanisk) teori. Klassisk teori kan ikke beskrive kvanteeffekter som trolig har eksistert i de aller første øyeblikkene av universets historie. Grensen for hvor relativitetsteorien er gyldig finnes ved plancktiden, som er en svært liten brøkdel av et sekund etter universets begynnelse, nærmere bestemt 5,4·10-44 (tall på standardform) sekunder. Mange astronomer antar at det eksisterte en form for kvantefluktuasjoner i selve rommet før plancktiden. Dette var en kaotisk tilstand der tid og rom, slik vi oppfatter disse begrepene, ikke eksisterte.
Det andre poenget er at ifølge kvanteteorien kan det ikke eksistere noe område helt tomt for energi. Selv om vi har perfekt utstyr til å fjerne alle former for materie, stråling og felter, vil det være igjen en form for vakuumenergi som ikke kan fjernes. Ved å bruke relativitetsteorien kan man vise matematisk at dersom det ikke er mulig å måle fart i forhold til vakuumenergien, så vil den forårsake frastøtende gravitasjon.
Den foretrukne modellen for hva som skjedde i det første øyeblikket av universets historie er: Ved et eller annet tidspunkt mellom plancktiden og det såkalte Grand Unified Theory-tidspunktet (GUT-tiden), 10-35 sekunder, har universet gått inn i en tilstand dominert av vakuumenergi med ufattelig stor energitetthet. Den frastøtende gravitasjonen til vakuumenergien forårsaket en gigantisk kosmisk eksplosjon. Denne ekstremt tidlige perioden kalles inflasjonsperioden og varte bare i 10-33 sekunder (se inflasjonskosmologi). Big bang kan være denne vakuumeksplosjonen. Universets nåværende ekspansjon er restene etter denne voldsomme hendelsen.
Ved slutten av inflasjonsperioden førte kvantemekaniske prosesser til at vakuumenergien gikk over til å være stråling og elementærpartikler.
Rett etter inflasjonsperioden var universet dominert av meget energirik stråling (fotoner) og partikler. Kollisjoner mellom fotoner omdannet strålingsenergi til materiepartikler (og antipartikler). Omvendt ville kollisjoner mellom partikler og deres antipartikler føre til såkalt annihilasjon av disse parene og dannelse av nye fotoner.
Et partikkel-antipartikkelpar omdannes altså til ett par fotoner. Hvis antallet partikler hadde vært nøyaktig det samme som antall antipartikler, ville det praktisk talt ikke være noe materie (eller antimaterie) igjen til å danne stjerner og galakser. Man har kunnet vise at det i universet i dag finnes omtrent en partikkel for hver milliard fotoner. Det vil si at det i det tidlige univers var en overvekt på cirka én partikkel per milliard partikkel-antipartikkel-par. Jakten på en forklaring av hvordan denne overvekten har oppstått er fortsatt et aktivt forskningsområde. (Se antimaterie og elementærpartikkelfysikk).
Ved hjelp av en enkel formel kan man beregne hvordan temperaturen, på grunn av utvidelsen, avtok etter hvert som tiden gikk. Etter ett sekund var temperaturen sunket til ti milliarder grader, og etter noen minutter var den under en milliard grader. Velkjent kjernefysikk kan da beskrive hvilke kjernereaksjoner som fant sted og hvilke grunnstoffer som ble dannet. Nøyaktige beregninger viser at det ble dannet cirka 23 prosent heliumkjerner, litt av andre lette grunnstoffer som deuterium og litium, og resten (altså cirka 77 prosent) hydrogenkjerner (protoner). Disse kjerneprosessene varte i omtrent ett kvarter og kalles den kosmiske nukleosyntesen. Da ble de første atomkjernene (tyngre enn hydrogenets) dannet. Universet ble hele tiden kaldere, på samme måte som at en gass i en lukket beholder blir kaldere hvis beholderen utvider seg.
Da universet var cirka 400 000 år gammelt, hadde temperaturen sunket til omtrent 3000 grader, og elektronene ble fanget inn av atomkjernene og dannet atomer: hydrogenatomer, heliumatomer og små mengder litiumatomer. De første atomene ble altså dannet omtrent 400 000 år etter big bang. Strålingen ble tilsvarende kaldere, og fikk dermed lengre bølgelengde. Gamma- og røntgenstråling ble etter en million år til synlig lys. I dag har strålingen en bølgelengde som tilsvarer mikrobølger, og kalles den kosmiske bakgrunnsstrålingen. Den tilsvarer den strålingen som kommer fra et legeme med en temperatur på knapt tre grader over det absolutte nullpunkt.
Big bang-modellen forutsier altså to spesifikke fenomener: en spesiell fordeling av de lette grunnstoffene (alle de tyngre stoffene er dannet senere i stjerner) og eksistensen av mikrobølgestråling fra alle retninger i rommet. Ved hjelp av observasjoner har forskere med stor grad av nøyaktighet bekreftet begge disse forutsigelsene.
I beregningene har man i de senere år prøvd å nærme seg tidspunktet null; starten på det hele. Tettheten og temperaturen i universet øker da til ufattelige verdier, men allikevel kan forholdene beskrives, om enn meget usikkert, med moderne fysikk. Helt tilbake til startøyeblikket er det ikke mulig å komme. Som nevnt er ikke Einsteins generelle relativitetsteori lenger gyldig under slike ekstreme betingelser. Skal vi ha håp om å forstå selve big bang, må vi ha en gyldig kvanteteori for gravitasjon. Det har vi ikke ennå.
