Големият взрив е космологична научна теория, описваща ранното развитие на Вселената. Разширяването на Вселената, което следва от уравненията на общата теория на относителността, бива потвърдено с наблюденията за раздалечаване на галактиките. Екстраполирайки назад във времето се стига до извода, че Вселената трябва да е била или много малка, или дори да е била събрана в точка – т.нар. сингулярност. Теоремата на Хокинг-Пенроуз показва, че от уравненията на общата относителност следва, че такава точка даваща начало на пространството и времето трябва да е съществувала. Естествено следствие от това е, че в миналото Вселената е имала по-висока температура и по-висока плътност. Терминът „Големият взрив“ се използва както в тесен смисъл за момента, в който започва разширението на Вселената (закон на Хъбъл), така и по-общо за преобладаващата днес космологична концепция обясняваща произхода и еволюцията на Вселената.
Терминът Големият взрив () е въведен през 1949 от Фред Хойл в радиопрограма на BBC. Хойл не поддържа теорията, а се опитва да ѝ се присмее.
Едно от следствията на Големия взрив е, че условията в днешната Вселена са различни от тези в миналото или в бъдещето. Съгласно този модел през 1948 година Джордж Гамов предвижда, че от ранната гореща фаза на Вселената трябва да е останало остатъчно лъчение, което трябва да има спектър на абсолютно черно тяло и да идва от всички посоки на небето. Така нареченото реликтово излъчване е открито през 60-те години на XX век от Пензиас и Уилсън и служи за потвърждение на теорията на Големия взрив срещу основната ѝ алтернатива, теорията за устойчивото състояние.
Според теорията за Големия взрив преди 13,7 милиарда години Вселената е в безкрайно плътно състояние с огромна температура и налягане. За първите 10-33 секунди от съществуването на Вселената няма задоволителен физически модел. Общата теория на относителността предвижда гравитационна сингулярност, където плътността става безкрайна. За разрешаване на този парадокс е нужна теорията на квантовата гравитация. Разбирането на този период от историята на Вселената е сред най-важните неразрешени проблеми на физиката.
История на теорията
През 1927 белгийският йезуит Жорж Льометр пръв предлага хипотезата, че в началото на Вселената стои „експлозия“ на „първичен атом“. Преди това през 1918 страсбургският астроном Карл Вилхелм Вюрц измерва систематично червено отместване на някои мъглявини и го нарича K-корекция. Той не осъзнава космологичните последствия, нито че тези мъглявини всъщност са галактики извън нашия Млечен път.
Създадената по това време обща теория на относителността на Алберт Айнщайн не допуска статично решение – Вселената трябва или да се разширява, или да се свива. Самият Айнщайн смята това следствие за погрешно и се опитва да го избегне с добавянето на космологична константа. Айнщайн, който е бил наясно с библейската представа за начало на времето, не приема теорията на Льометр за „първичния атом“, понеже вижда в нея опит на Льометр да прокара идеята за Сътворението. По време на Общата теория на относителността е приложена към космологията за пръв път от руския учен Александър Фридман, чиито уравнения описват Вселената на Фридман-Льометр-Робъртсън-Уокър – Вселена без космологична константа.
През 1929 г. Едуин Хъбъл описва и наблюдения потвърждаващи теорията на Льометр без да е наясно с нея (статията на Льометр е преведена на английски от Артър Едингтън едва през 1931 г.). Установил още през 1913, че повечето спирални мъглявини определени по-късно като галактики се отдалечават от Земята, той комбинира този факт с измервания на разстоянието определени чрез наблюдение на цефеиди в отдалечени галактики, за да установи, че галактиките се раздалечават във всички посоки със скорост спрямо Земята правопропорционална на разстоянието помежду им. Днес това явление е известно като закон на Хъбъл.
От космологическия принцип произтичат две обяснения на раздалечаващите се галактики. Според едното, поддържано и доразвито от Джордж Гамов, Вселената възниква от крайно горещо и плътно състояние в крайно време в миналото и оттогава се разширява. Другата възможност е теорията за устойчивото състояние на Фред Хойл, според която при раздалечаването на галактиките се появява нова материя. В този модел Вселената е приблизително еднаква във всяка точка от времето. За известно време подкрепата за тези две теории е равноразпределена.
През последвалите години наблюденията подкрепят идеята, че Вселената е възникнала от горещо плътно състояние. След откриването на реликтовото излъчване през 1965 това се смята за най-добрата теория за произхода и еволюцията на Космоса. До края на 60-те години на XX век много космолози смятат, че безкрайно плътната сингулярност в космологичния модел на Фридман е математическа идеализация и че Вселената се е свивала преди да достигне това състояние, а след това е започнала да се разширява отново. Това е теорията на Ричард Толман за пулсираща Вселена. През 60-те Роджър Пенроуз и Стивън Хоукинг доказват математически, че тази идея е неудачна и сингулярността е съществен елемент от общата теория на относителността. Това убеждава мнозинството космолози в теорията за Големия взрив, според която Вселената е възникнала преди крайно време.
Практически цялата теоретична работа в областта на космологията днес се състои в разширение и детайлизиране на основната теория за Големия взрив. Голяма част от текущата работа е насочена към разбиране на образуването на галактиките в контекста на Големия взрив, разбиране на самия момент на Големия взрив и съгласуване на наблюденията с основната теория.
Голям напредък в космологията на Големия взрив е отбелязан в самия край на XX и началото на XXI век в резултат на усъвършенстването на технологията на телескопите и голямото количество спътникови данни, като тези от COBE и WMAP откриват анизотропията на реликтовото излъчване в малък мащаб, което може да доведе до разбиране на образуването на галактиките. През 1998 група учени от Екипа за изследване на свръхновите с голямо червено отместване определят разстоянията до голям брой свръхнови и измерват техните скорости, с което те повтарят наблюдението на Хъбъл отпреди 80 години, но с много по-далечни обекти. Изводът, до който стигат е, че някои свръхнови са толкова далече, че не би трябвало да ги наблюдаваме, освен ако Вселената не се е разширявала с по-голяма скорост от тази на равномерно разширяващата се Вселена. Това довело до неочакваното откритие, че разширяването на Вселената изглежда се ускорява.
Общо описание Въз основа на измервания за разширението на Вселената чрез свръхнови тип Ia, измервания на спектъра и анизотропията на реликтовото излъчване, възрастта на Вселената е определена на 13,7 ± 0,2 милиарда години. Фактът, че тези три независими измервания са сходни, се смята за силно доказателство на Ламбда-CDM модела, описващ детайлната структура на съставните части на Вселената.
Ранната Вселена е запълнена хомогенно и изотропно с много висока енергийна плътност. Приблизително 10-35 секунди след епохата на Планк, Вселената се разширява експоненциално в период, наречен космическа инфлация. След спирането на инфлацията, материалните елементи на Вселената са под формата на кварк-глуонна плазма, в която съставните частици се движат релативистично. Чрез един все още непознат процес, бариогенеза, се появява наблюдаваната асиметрия между материя и антиматерия. С нарастването на размера на Вселената температурата спада, което предизвиква нови процеси на нарушаване на симетрията, които се проявяват чрез известните физични сили и елементарни частици, а по-късно позволяват образуването на водородни и хелиеви атоми в процес, наречен първичен нуклеосинтез. С разширяването си Вселената се охлажда, поради което средната кинетична енергия на електроните става недостатъчна те да продължат да бъдат в свободно състояние и биват захванати от протоните, като по този начин Вселената става предимно изградена от свързани атоми, т.е. неутрална. Това явление, случило се 300 000 години след Големия взрив, се нарича рекомбинация, и именно фотоните, излъчени от тези електрони при прихващането им от атомите в този момент, съставят т.нар. „реликтово излъчване“. Средният свободен пробег на фотоните в неутралната Вселена става много голям, т.е. Вселената става прозрачна. Поради тази причина ние виждаме реликтовото излъчване, но не и фотоните от предишното горещо състояние на Вселената, понеже те са били погълнати от йонизираното вещество.
С времето малко по-плътните области от почти равномерно разпределената материя нарастват гравитационно в още по-плътни области, образувайки газови облаци, звезди, галактики и останалите астрономични обекти, наблюдавани днес. Подробностите на този процес зависят от количеството и вида на материята във Вселената. Трите възможни вида са студена тъмна материя, гореща тъмна материя и барионна материя. Най-добрите налични измервания, тези от WMAP, показват, че преобладаващата форма на материята във Вселената е под формата на студена тъмна материя. Другите два вида материя образуват по-малко от 20% от общото количество.
Днес Вселената изглежда доминирана от неизследвана форма на енергия, известна като тъмна енергия. Приблизително 70% от общата енергийна плътност на днешната Вселена е в тази форма. Този компонент на Вселената има свойството да предизвиква отклонение на разширението на Вселената от линейната връзка скорост-разстояние, предизвиквайки по-бързо от очакваното разширение на пространство-времето при големи разстояния. Тъмната енергия приема формата на космологичната константа в полевите уравнения на Айнщайн, но връзките ѝ със стандартния модел от физиката на частиците продължават да бъдат обект на изследване, както теоретично, така и експериментално.
Теоретични основи В днешния си вид теорията за Големия взрив произтича от три предпоставки: Универсалност на физичните закони Космологичен принцип Коперников принцип
При появата им тези идеи са приети просто като постулати, но днес се правят опити за проверка на всеки от тях. В резултат на тези изследвания е установено, че максималното отклонение на физичните константи в историята на Вселената е не по-голямо от порядъка на 10-5. Изотропността на Вселената, определяща космологичния принцип, е измерена с точност от 10-5, а хомогенността в най-едър мащаб е измерена с точност до 10%. Правят се опити да се измери коперниковият принцип с наблюдение на взаимодействието на галактически струпвания и реликтовото излъчване чрез ефекта на Суняев-Зелдович при точност от 1%.
Теорията на Големия взрив използва постулата на Вейл, за да измери недвусмислено времето във всяка точка като „време от епохата на Планк“. Измерванията в тази система използват конформни координати, в които разширението на Вселената се изважда от измерванията на пространство-времето.
В този смисъл Големият взрив не е експлозия на материята, движеща се навън и запълваща една празна Вселена. Той е самото разширяващо се пространство-време. Това разширение кара физическото разстояние между всеки две неподвижни точки в нашата Вселена да нараства. Обектите, свързани един към друг, например от гравитацията, не се разширяват с разширението на пространство-времето, защото скоростта на разширение на Вселената на тези малки мащаби е по-малка от типичните средни скорости на движение на частиците. Разширението на Вселената започва да става видимо за разстояния от порядъка на 1 Mpc.
Трите стълба Днес се смята, че теорията на Големия взрив се крепи на три наблюдателни стълба. Това са разширението на Вселената, наблюдавано в червеното отместване на галактиките, детайлните измервания на реликтовото излъчване и изобилието от леки елементи.
Закон за разширението на Хъбъл