Big bang, 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 eksplosjon som skjedde overalt i hele rommet. Tid, rom og materie oppsto ved big bang-hendelsen, og rommet har siden utvidet seg.
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 før. Regner vi oss bakover, finner vi at avstandene var null for 13,8 milliarder år siden. Universet var i en tilstand av ekstremt høy tetthet og temperatur helt i starten.
Vi vet ikke hva som eksisterte før big bang, men mange fysikere mener at universet var i en kaotisk tilstand med voldsomme såkalte kvantefluktuasjoner før Big bang. Så oppsto spontant en kosmisk eksplosjon som var 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 og kan ikke beskrive kvanteeffekter som trolig har eksistert i det aller første øyeblikket av universets historie. Grensen for relativitetsteorien finnes ved plancktiden, tP = 5,4·10-44s (tall på standardform). Mange astronomer gjetter på at det eksisterte en form for kvantefluktuasjoner av selve rommet før plancktiden, 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) 10-35s 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 10-33s (se inflasjonskosmologi). Big bang kan være denne vakuumeksplosjonen. Universets nåværende ekspansjon er restene etter denne voldsomme eksplosjonen.
Ved slutten av inflasjonsperioden førte kvantemekaniske prosesser til at vakuumenergien gikk over til 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 et 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 ca. 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 10 milliarder grader, og etter noen minutter var temperaturen 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 ca. 23 % heliumkjerner, litt av andre lette grunnstoffer som deuterium og litium og resten (altså ca. 77 %) hydrogenkjerner (protoner). Disse kjerneprosessene varte i omtrent et 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 ca. 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 er strålingen mikrobølgestråling og kalles den kosmiske bakgrunnsstrålingen. Den tilsvarer den strålingen som kommer fra et legeme med en temperatur på knapt 3 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. Observasjoner har med stor grad av nøyaktighet bekreftet begge disse forutsigelsene.
Man har i de senere år prøvd å nærme seg tidspunktet null; starten på det hele. Densiteten og temperaturen 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 tilblivelsesøyeblikket, må vi ha en gyldig kvanteteori for gravitasjon. Det har vi ikke ennå.
