Pierwsze minuty powstania wszechświata
advertisement
Pierwsze trzy minuty powstania Wszechświata Wszechświat to jedność, która ogarnia różnorodność. (Harrison) Spróbujmy popatrzeć na przebieg ewolucji Kosmosu w pierwszych trzech minutach. Niestety stanu zerowego nie można przeanalizować. Wiemy tylko, że temperatura była nieskończenie wielka. Ewolucje Kosmosu można podzielić na kolejne etapy: Etap pierwszy Temperatura Wszechświata wynosi 100 miliardów kelwinów, Wszechświat jest prosty i łatwy do opisania. Wszechświat jest w stanie niemal idealnej równowagi termodynamicznej. Jego zawartość jest opisana prawami mechaniki statystycznej. Wszystkie wielkości podlegające zachowaniu – to jest ładunek, liczba barionowa i liczba leptonowa – są bardzo małe lub zerowe. Gęstość wszechświata jest ogromna i nieograniczona. W pierwszym etapie obserwujemy Wszechświat w trakcie gwałtownej ekspansji i obniżania temperatury. Prędkość ekspansji wynika z warunku, że każdy fragment przestrzeni oddala się od dowolnie przyjętego środka z prędkością ucieczki. Liczba cząstek jądrowych jest niewielka – około jednego protonu lub neutronu na miliard fotonów, elektronów lub neutrin. Etap drugi Temperatura Wszechświata wynosi 30 miliardów kelwinów. Od pierwszego etap upłynęło 0,11 sekundy. Nie zaszły żadne zmiany – w zawartości Wszechświata dominują elektrony, pozyryny, neutrina, antyneurtina i fotony. Gęstość energii spadła wraz z czwartą potęgą temperatury i teraz jest 30 milionów razy większa niż gęstość energii w masie spoczynkowej zwykłej wody. Prędkość ekspansji zmalała z kwadratem temperatury, wskutek czego czas charakterystyczny ekspansji Wszechświata wydłużył się do około 0,2 sekundy. Cząstek jądrowych jest nadal niewiele i nie są one sklejone w jądra. Proporcja cząsteczek jądrowych zmieniła się teraz na 38% neutronów wobec 62% protonów. Etap trzeci Temperatura Wszechświata wynosi 10 miliardów kelwinów. Teraz wskutek malejącej gęstości i temperatury, średni czas swobodnego przelotu neutrin i antyneutrin wzrósł. Zaczynają się one zachowywać jak wolne cząstki, więc nie pozostają już w stanie równowagi termodynamicznej z elektronami, pozytronami i fotonami. Całkowita gęstość energii zmalała w stosunku do poprzedniego etapu proporcjonalnie do czwartej potęgi temperatury i teraz jest równoważna gęstości masy 380 tysięcy razy większej od gęstości wody. Czas charakterystyczny ekspansji Wszechświata wzrósł do około dwóch sekund. Temperatura jest tak wysoka, aby neutrony i protony mogły połączyć się w jądra atomowe na zauważalnie długi czas. Wskutek spadku temperatury proporcja protonów do neutronów zmieniła się teraz na 24% neutronów przy 76% protonów. Etap czwarty Temperatura wszechświata wynosi 3 miliardy kelwinów. Mamy temperaturę niższą od temperatury progowej elektronów i pozyronów, wskutek czego gwałtownie zaczynają one znikać jako główne składniki Wszechświata. Ich anihilacja uwalnia energię, która spowalnia szybkość opadania temperatury Wszechświata, na skutek czego neutrina, nie korzystające z tej dodatkowej energii, mają teraz o 8 procent niższą temperaturę niż elektrony, pozyrony i fotony. Temperatura jest teraz na tyle niska, że mogą powstawać niektóre stabilne jądra, choćby helu (He4). Wszechświat nadal rozszerza się tak szybko, że jądra mogą się tworzyć tylko wskutek łańcucha szybkich reakcji między dwiema cząstkami. Neutrony w ulegają przemianie w protony, chociaż proces ten zachodzi znacznie wolniej niż przedtem. Proporcja wynosi 17% neutronów do 83% protonów. Etap piąty Temperatura wszechświata wynosi już miliard kelwinów, czyli tylko 70 razy więcej niż w środku słońca. Większość z pozostałych elektronów i pozytronów uległa unicestwieniu, a Wszechświat składa się teraz z fotonów, neutrin i antyneutrin. Dzięki energii uwolnionej z unicestwienia wynikającego ze zderzenia cząsteczek elektronów i pozytronów, temperatura fotonów jest teraz o jedną trzecią wyższa od temperatury neutrin. We Wszechświecie mogą się już utrzymać jądra trytu, helu – 3 oraz zwykłego helu, ale jądra deuteru utrzymują się zbyt krótko, aby mogły powstać większe ilości cięższych jąder. W ciągu każdych 100 sekund, 10 procent pozostałych jeszcze neutronów rozpada się i ulega przemianie w protony. Proporcja neutronów do protonów wynosi 14:86. Po chwili temperatura spada na tyle, że jądra deuteru mogą się utrzymać. W ten sposób mogą powstać jądra cięższe, czyli zawiązanie nowych pierwiastków. Przy założeniu, że na cząstkę jądrową przypada miliard fotonów, synteza jądrowa zaczyna się w temperaturze 900 milionów kelwinów. Etap szósty Temperatura Wszechświata wynosi 300 milionów kelwinów. Elektrony i pozyrony uległy całkowitemu zniszczeniu z wyjątkiem małego nadmiaru elektronów, koniecznych do zrównoważenia ładunku protonów. Uwolniona energia dała fotonom stałą temperaturę wyższą o 40% od temperatury neutrin. Gęstość energii jest teraz równoważna gęstości masy wynoszącej 9,9% gęstości wody. Procesy jądrowe ustały – większość cząstek jądrowych występuje teraz związana w jądrach helu lub jako wolne protony (atomy wodoru). Na każdy wolny lub związany proton przypada jeden elektron, ale we Wszechświecie panuje ciągle za wysoka temperatura, aby mogły utrzymać się stabilne atomy. Jest możliwe, że na początku Wszechświat był w znaczącym stopniu niehomogeniczny i anizotropowy, ale potem został zhomogenizowany wskutek wzajemnego tarcia między częściami Wszechświata podczas jego ekspansji. Ciepło wytworzone przez homogenizację i izotropizację Wszechświata pod wpływem tarcia jest również odpowiedzialne za obecną wysoką proporcję miliarda fotonów na cząstkę jądrową. Odpowiedzi jednoznacznej nie ma. Tych sześć etapów opisuje tylko niewielki okres historii Wszechświata. Pytanie – jak było rzeczywiście podczas pierwszy trzech minut powstania Wszechświata nadal jest aktualne. Literatura: N. Spielberg, B. D. Anderson., „Fizyka Siedem Teorii, Które Wstrząsnęły Światem“. Wydawnictwo AMBER Sp. z. o. o. Warszawa 1997. Red. Timothy Ferris., „Skarby astronomii E. Hubble, St. Weinberg, C. Trefil i inni o najważniejszych odkryciach astronomicznych XX wieku”. Wydawnictwo AMBER Sp. z. o. o., Warszawa 1997. Opracowała: Grażyna Sobolewska
