Klucz do narodzin czasu - Teoria - Powrót do źródła

Powrót do źródła

Fizycy uważają, że Wszechświat narodził się około 15 tysięcy milionów lat temu w gorącym Wielkim Wybuchu i że od tego momentu powoli stygnie. W miarę rozszerzania się Wszechświata jego gęstość energii maleje i obecnie temperatura przestrzeni kosmicznej spadła do około 3 stopni powyżej zera absolutnego. Uzyskanie wysokich gęstości energii w zderzeniach cząstek w laboratoriach takich jak CERN jest równoważne podróży wstecz w czasie, co pozwala nam zobaczyć, jak zachowywał się Wszechświat tuż po Wielkim Wybuchu.

Na temat Wielkiego Wybuchu nie wiemy nic ponad to, że cała materia Wszechświata musiała być skupiona w bardzo niewielkiej przestrzeni. Nie wiemy, co sprawiło, że Wielki Wybuch w ogóle nastąpił ani co się wówczas działo. Kiedy naukowcy mówią o Wielkim Wybuchu, zwykle mają na myśli gwałtowne, jak po eksplozji, rozszerzanie się Wszechświata, które miało miejsce później. To nie był zwyczajny wybuch, nie zdarzył się po prostu w przestrzeni i czasie, lecz w istocie je stworzył.

Patrząc daleko w głąb dzisiejszego Wszechświata i penetrując świat cząstek elementarnych naukowcy złożyli  ewolucję Wszechświata z elementów, począwszy od niewyobrażalnie odległego momentu, zaledwie 10-43 sekundy (to znaczy zero z jedynką na 43 miejscu po przecinku) po tym, jak wszystko się zaczęło. W tamtej chwili wszelkie procesy zachodziły bardzo szybko. Wszystkie oddziaływania w przyrodzie były nierozróżnialne, a cząstki materii i antymaterii istniały w równych ilościach. Materia i antymateria stale anihilowały, wytwarzając promieniowanie, oraz na nowo z tego promieniowania powstawały. Materia miała tak wielką gęstość, że nawet światło nie mogło wędrować zbyt daleko i Wszechświat był nieprzezroczysty.

W następnej fazie istnienia Wszechświata, do mniej więcej 10-34 sekundy, oddziaływanie silne, które działa na kwarki, odłączyło się od oddziaływania elektromagnetycznego i słabego, które nadal pozostały nierozróżnialne. Nie mogły jeszcze powstać protony ani neutrony, ponieważ wszelkie wiązania pomiędzy kwarkami były natychmiast rozrywane przez wysokoenergetyczne promieniowanie, które wciąż wypełniało Wszechświat. Materia istniała w postaci pewnego rodzaju kosmicznej zupy o wysokiej gęstości, zwanej plazmą kwarkowo-gluonową, QGP (skrót od angielskiej nazwy quark gluon plasma).

Nośniki oddziaływań słabych, to znaczy cząstki W i Z, występowały równie obficie jak fotony, czyli nośniki oddziaływań elektromagnetycznych, i tak samo się zachowywały. Mniej więcej w tym czasie zaczął się kształtować bardzo niewielki nadmiar materii w stosunku do antymaterii, na każdy tysiąc milionów cząstek materii anihilujących z antymaterią, przeżywała zaledwie jedna. Właśnie te nieliczne ocalałe cząstki tworzą nasz dzisiejszy Wszechświat. Z reszty pozostało promieniowanie tła, którego obecność powoduje, że temperatura przestrzeni międzygwiezdnej i międzygalaktycznej wynosi około 3 kelwinów.

Pomiędzy 10-34 sekundy a 10-10 sekundy rozdzieliły się oddziaływania elektromagnetyczne i słabe. Gęstość energii nie była już wystarczająco duża, aby mogły powstawać swobodne cząstki W i Z, a te, które już się wytworzyły, rozpadły się. Od tego momentu cząstki W i Z pojawiają się jedynie jako nośniki oddziaływań słabych.

Antymateria zaczęła znikać, kiedy bowiem antykwarki anihilowały z kwarkami, w promieniowaniu nie było już dość energii, by mogły powstać na nowo. W takich laboratoriach jak CERN eksperymenty w fizyce cząstek pozwalają już cofnąć się w czasie aż do tego momentu. Przeprowadza się tam zderzenia cząstek o wystarczająco wysokich energiach, by odtworzyć warunki panujące we wczesnym Wszechświecie.

Wkrótce potem energia promieniowania na tyle się obniżyła, że stało się możliwe powstawanie protonów i neutronów, a także krótkożyciowych cząstek, zwanych mezonami, zbudowanych z kwarku i antykwarku. W miarę stygnięcia Wszechświata liczba cięższych kwarków malała, a nie było już dość energii, by je wytworzyć na nowo. Te, które już istniały, rozpadały się na lżejsze.

Powstawanie protonów i neutronów trwało mniej więcej do sekundy po Wielkim Wybuchu. Antymateria w formie pozytonów znikła, ponieważ gęstość energii promieniowania spadła poniżej niezbędnej do tworzenia się par elektron-pozyton. Jedyną formą antymaterii we Wszechświecie były cząstki uwięzione w mezonach. Na tysiąc milionów cząstek materii pozostała jedna cząstka antymaterii, co było skutkiem wyraźnej preferencji przyrody dla materii.
Przebieg wszystkich procesów stał się wówczas zdecydowanie wolniejszy. Przed upływem około trzech minut życia Wszechświata protony i neutrony zaczęły się ze sobą łączyć i tworzyć lekkie jądra atomowe. Wszechświat przypominał w tym momencie gigantyczny reaktor termojądrowy, aż po mniej więcej trzech minutach reakcje syntezy przestały zachodzić. Wszechświat składał się wtedy z wodoru, deuteru, helu i odrobiny litu. Nawet dzisiaj zawiera około 75% wodoru i 25% helu, i zaledwie śladowe ilości cięższych pierwiastków  wytworzonych w gwiazdach, gdzie powstaje wszelka inna materia, którą uważamy za "zwykłą".
W ciągu kolejnych 300 000 lat Wszechświat powoli stawał się przezroczysty, ponieważ fotony nie oddziaływały już  natychmiast po powstaniu. Jądra wodoru, deuteru, helu i litu wychwyciły elektrony, tworząc w ten sposób pierwsze atomy.
Materia zaczęła się skupiać w sposób, którego wciąż dobrze nie rozumiemy, aż powstały pierwsze galaktyki, na co potrzeba było 1000 milionów lat. Atomy lekkich pierwiastków przyciągane do siebie siłami grawitacji utworzyły gwiazdy, które zapaliły się, to znaczy w ich jądrach zaczęły zachodzić reakcje syntezy termojądrowej. W ten sposób we wnętrzach gwiazd powstały cięższe pierwiastki, aż do żelaza włącznie. Na koniec życia niektóre gwiazdy eksplodowały w postaci spektakularnych supernowych, gwałtownie produkując jeszcze cięższe pierwiastki, takie jak złoto i rozrzucając je po Wszechświecie. Pierwiastki te powoli zaczęły się skupiać w planety. Powstały cząsteczki i rozpoczęły się procesy chemiczne.

Wreszcie, po 15 000 milionów lat, na jednej z tych planet z pyłu gwiezdnego wyłoniły się inteligentne istoty jak wy i zaczęły się zastanawiać nad Wszechświatem, który je otacza, próbując zrozumieć procesy, które doprowadziły do tego, że tutaj jesteśmy.