Wszechświat może rozszerzać się przez nieskończoność

Wszechświat może rozszerzać się przez nieskończenie długi czas, nie osiągając nigdy do swego kresu. Nie mógł by jednak kurczyć się przez nieskończenie długi czas, musiał by bowiem dojść do stanu, w którym jego promień osiągnie wartość zerową. Potem nie może się już kurczyć. To zero oznacza początek Wszechświata. Idea że Wszechświat był stworzony jako obiekt o bardzo małych rozmiarach i ewoluując stał się ogromnym zróżnicowanym zbiorowiskiem istniejących obecnie galaktyk, wydaje się łatwiejsza do przyjęcia niż przypuszczenie, że został on stworzony od razu w swej obecnej formie. Pozostaje jednak nadal pytanie, w jaki sposób Wszechświat zaistniał w swej pierwotnej formie jako bardzo mały obiekt. Fizycy rozważają hipotezę że Wszechświat w swej pierwotnej postaci o niezmiernie małych rozmiarach mógł powstać z niczego, jako rezultat procesu losowego, że – być może – w nieskończonym obszarze pustki nieustannie powstaje nieskończenie wielka liczba takich zalążków świata i że nasz Wszechświat jest jednym spośród wielu. Na ogół jednak fizycy zastanawiają się nad odtworzeniem losów Wszechświata od chwili Wielkiego Wybuchu i chętnie na tym poprzestają.

Nie ma zresztą jednomyślności co do przebiegu wczesnych etapów tego niebywałego zjawiska ani też co do tego, w jaki sposób odbywało się przejście od początkowego Wielkiego Wybuchu do Wszechświata takiego jaki dziś istnieje. Bardzo wczesne fazy jego ewolucji również stanowią kwestię sporną. [2] Jesteśmy już w pewnym stopniu przygotowani do prześledzenia wydarzeń w pierwszych trzech minutach ewolucji kosmicznej. Dla większej jasności ewolucję przedstawię na podobieństwo projekcji filmowej. W pewnych momentach będę zatrzymywał film aby dokładniej przyjrzeć się poszczególnym kadrom, odpowiadającym poszczególnym fazom zmieniającego się Wszechświata. Niestety film ten nie ukaże nam Wszechświata w chwili zero, gdy temperatura była nieskończenie wielka. Powyżej temperatury progowej półtora biliona stopni Kelvina (1.5*1012K) Wszechświat powinien zawierać wielką liczbę cząstek zwanych mezonami pi, których masa wynosi około jednej siódmej masy nukleonu. W odróżnieniu od elektronów, pozytonów i neutrin, mezony pi oddziałują bardzo silnie ze sobą i z nukleonami. To właśnie ciągła wymiana mezonów pi między nukleonami odpowiedzialna jest za istnienie siły przyciągającej, która utrzymuje w całości jądro atomowe. Obecność dużej liczby tak silnie oddziałujących cząstek powoduje, że wyliczenia zachowania się materii w superwysokich temperaturach są niezwykle trudne. Aby więc uniknąć takich problemów matematycznych, rozpocznę tę relację od około jednej setnej sekundy, czyli od czasu kiedy temperatura obniżyła się do stu miliardów stopni Kelvina, tj. znacznie poniżej temperatur progowych dla mezonów pi, mionów i wszystkich cięższych cząstek.

Kadr pierwszy – Temperatura wszechświata wynosi sto miliardów stopni Kelvina (1011K)

Kadr pierwszy – Temperatura wszechświata wynosi sto miliardów stopni Kelvina (1011K). Wszechświat jest prostszy i łatwiejszy o opisania niż kiedykolwiek później. Wypełniony jest niezróżnicowanym bulionem materii i promieniowania, a każda jego cząstka zderza się bardzo gwałtownie z innymi cząstkami. Wszechświat, pomimo swej szybkiej ekspansji, znajduje się w stanie prawie idealnej równowagi termicznej, a wobec tego jego zawarto jest rządzona prawami mechaniki statystycznej i jej charakter nie zależy od tego, co działo się wcześniej. Obficie reprezentowane są cząstki których temperatura progowa wynosi poniżej 1011K – elektrony oraz ich antycząstki, czyli pozytony, i oczywiście cząstki pozbawione masy: foton, neutrina i antyneutrina. Wszechświat jest tak gęsty, że neutrina, które mogą bez rozproszenia przenikać nawet przez ołowiane bloki, znajdują się tu – na skutek gwałtownych zderzeń – w stanie równowagi termicznej z pozostałymi cząstkami. Wszechświat w pierwszym kadrze gwałtownie rozszerza się i oziębia. Rozszerzanie się Wszechświata polega na tym, że każdy jego fragment oddala się od dowolnego umownego centrum z prędkością ucieczki. Przy tak olbrzymich gęstościach prędkość ucieczki jest również wielka – charakterystyczny czas ekspansji Wszechświata wynosi około dwóch setnych sekundy („charakterystyczny czas ekspansji” można z grubsza zdefiniować jako czas sto razy większy od tego, w którym rozmiary Wszechświata wzrosłyby o jeden procent. Ściślej mówiąc, charakterystyczny czas ekspansji w każdym okresie stanowi odwrotność „stałej” Hubble`a. Wiek Wszechświata jest zawsze mniejszy od tej wartości, ponieważ proces ekspansji jest ciągle hamowany przez grawitację).

Pierwszy kadr przedstawia nam sytuacją, w której liczba nukleonów jest niewielka: około jednego protonu lub neutronu na miliard fotonów, elektronów czy neutrin. Aby móc ostatecznie przewidzieć częstość występowania pierwiastków chemicznych powstałych we wczesnym Wszechświecie, musimy znać także wzajemny stosunek protonów i neutronów. Neutron cięższy od protonu, a różnica ich mas jest równoważna energii 1293000 eV. Jednakże charakterystyczna energia elektronów, pozytonów itp. w temperaturze 1011K jest znacznie większa, wynosi bowiem około 10 milionów eV(stała Boltzmanna przemnożona przez temperaturę). Tak więc zderzenia neutronów lub protonów ze znacznie liczniejszymi elektronami, pozytonami itp. będę powodować szybkie przejścia protonów w neutrony i na odwrót. Najważniejsze reakcje to: antyneutrino plus proton wytwarza pozyton plus neutron (i na odwrót), neutrino plus neutron wytwarza elektron plus proton (i na odwrót).

Kadr drugi- Temperatura Wszechświata wynosi teraz trzydzieści miliardów stopni Kelvina (3*1010K)

Kadr drugi- Temperatura Wszechświata wynosi teraz trzydzieści miliardów stopni Kelvina (3*1010K). Od sytuacji z pierwszego kadru upłynęło 0.11 sekundy. Pod względem jakościowym nic się nie zmieniło – zawartość Wszechświata nadal stanowią elektrony, pozytrony, neutria, antyneutria i fotony, przy czym wszystkie one znajdują się w równowadze termicznej znacznie ponad poziomem ich temperatur progowych. Gęstość energii, która jest wprost proporcjonalna do czwartej potęgi temperatury, obniżyła się teraz do wartości równoważnej gęstości masy 30 tyś. ton na decymetr sześcienny. Szybkość rozszerzania się Wszechświata zmniejsza się jak kwadrat temperatury, toteż charakterystyczny czas ekspansji wydłużył się do około 0.2 sekundy. Nukleony których jest niewiele, nadal nie są związane w jądra atomowe, ale szybkie obniżanie się temperatury znacznie bardziej sprzyja przechodzeniu neutronów w protony niż na odwrót. Tak więc w ogólnym bilansie nukleonów protony stanowić będą 62%, a neutrony pozostałe 38%.

Kadr trzeci- Temperatura Wszechświata wynosi 10 miliardów stopni Kelvina (1010K)

Kadr trzeci- Temperatura Wszechświata wynosi 10 miliardów stopni Kelvina (1010K). Od sytuacji z pierwszego kadru upłynęło 1.09 sekundy. Mniej więcej w tym okresie obniżające się wartości gęstości i temperatury wydłużyły tak bardzo średni czas życia neutrin i antyneutrin, że zaczęły one zachowywać się jak cząstki swobodne, tzn. utraciły równowagę termiczną z elektronami, pozytonami i fotonami. Od tego momentu przestają one odgrywać czynną rolę, chociaż nadal ich energia będzie miała wpływ na pole grawitacyjne Wszechświata. Całkowita gęstość energii jest teraz mniejsza niż w poprzednim kadrze proporcjonalnie do czwartej potęgi stosunku temperatur, czyli obecnie jest równoważna gęstości masy 380 t/dm3. Charakterystyczny czas ekspansji wzrósł odpowiednio do około dwóch sekund. Temperatura jest teraz zaledwie dwukrotnie wyższa od temperatury progowej elektronów i pozytonów, toteż zaczynają one wzajemnie unicestwiać się, i to szybciej, niż mogą odtwarzać się z promieniowania. Wciąż jeszcze jest zbyt gorąco, aby neutrony i protony mogły się na dłużej wiązać w jądra atomowe. Spadek temperatury znowu powiększył przewagę protonów(76%) nad neutronami(24%).

Kadr czwarty- Temperatura Wszechświata wynosi obecnie trzy miliardy stopni Kelvina(3*109K)

Kadr czwarty- Temperatura Wszechświata wynosi obecnie trzy miliardy stopni Kelvina(3*109K). Od sytuacji ukazanej w pierwszym kadrze upłynęło 13.82 sekundy. Znajdujemy się teraz poniżej temperatury progowej elektronów i pozytonów, a więc te główne dotychczas składniki Wszechświata zaczynają teraz gwałtownie znikać. Energia uwolniona w procesie anihilacji zmniejsza tempo ochładzania się Wszechświata, toteż neutrina, które nie otrzymały tego dodatkowego ciepła, są teraz o 8% „zimniejsze” niż elektrony, pozytony i fotony. Od tej chwili mówiąc o temperaturze Wszechświata będziemy myśleli o temperaturze fotonów. Jest już dostatecznie chłodno, toteż tworzyć się mogą stabilne jądra, na przykład helu(4He). Nie jest to jednak zjawisko natychmiastowe, Wszechświat rozszerza się tak gwałtownie, że jądra mogą powstawać jedynie w skutek serii szybkich reakcji dwu cząstek. Na przykład proton i neutron mogą zderzając się utworzyć jądro ciężkiego wodoru, tzn. deuteru, które może z kolei zderzyć się z protonem lub neutronem wytwarzając bądź jądro lekkiego izotopu helu(3He), zbudowane z dwóch protonów i neutronu, bądź najcięższy izotop wodoru, zwany trytem(3H), złożony z protonu i dwóch neutronów. Jądro helu trzy może następnie zderzyć się z neutronem, jądro trytu zaś z protonem, przy czym w obu przypadkach powstanie jądro zwykłego helu(4He) złożone z dwóch protonów i dwóch neutronów. Aby jednak cały ten łańcuch reakcji mógł się dokonać, musi istnieć jego pierwsze ogniwo – produkcja deuteru. Zwykły hel zbudowany jest z silnie związanych cząstek, toteż może on być trwały nawet w temperaturze z trzeciego kadru. Jednakże jądra trytu i helu trzy są już znacznie słabiej związane, a na rozerwanie jądra deuteru wystarczy zaledwie jedna dziewiąta energii potrzebnej do wybicia pojedynczego nukleonu z atomu helu. W temperaturze 3*109K jądra deuteru rozpadają się tak szybko, jak powstają, a więc nie ma szans na wyprodukowanie cięższych jąder. Neutrony nadal przemieniają się w protony, lecz proces ten przebiega znacznie wolniej niż poprzednio. W ogólnym bilansie nukleonów jest teraz: 17% neutronów i 83% protonów.

Kadr piąty – Temperatura Wszechświata wynosi teraz miliard stopni Kelvina(109K),

Kadr piąty – Temperatura Wszechświata wynosi teraz miliard stopni Kelvina(109K), a więc jest on zaledwie siedemdziesiąt razy gorętszy niż środek Słońca. Upłynęły trzy minuty i dwie sekundy od sytuacji z pierwszego kadru. Większość elektronów i pozytonów znikła, a głównymi składnikami Wszechświata są teraz fotony, neutrina i antyneutrina. Energia uwolniona w procesie anihilacji elektron-pozytron podniosła temperaturę fotonów o 35% wyżej niż wynosi temperatura neutrin. Wszechświat jest wystarczająco chłodny, aby jądra trytu i helu mogły być już trwałe. Nadal jednak jądra deuteru nie są w stanie przetrwać na tyle długo, aby powstało wystarczająco dużo ciężkich jąder. Prawie całkowicie ustały już zderzenia neutronów i protonów z elektronami, neutrinami, natomiast ważność uzyskuje rozpad swobodnych neutronów. W ciągu każdych stu sekund 10% istniejących jeszcze neutronów będzie przekształcać się w protony. Bilans nukleonów ustala się teraz na poziomie 14% neutronów i 86% protonów.

Temperatura obniża się do punktu, w którym jądra deuteru mogą stać się trwał

Nieco później – W chwilę później następuje przełomowe wydarzenie: temperatura obniża się do punktu, w którym jądra deuteru mogą stać się trwałe. Ilość ciężkich jąder powstałych w łańcuchu reakcji dwucząstkowych gwałtownie rośnie. Nie powstają jednak jądra cięższe od helu, gdyż nie istnieją stabilne jądra złożone z pięciu lub ośmiu nukleonów, które powinny być etapem pośrednim w dalszej nukleosyntezie. Toteż kiedy temperatura osiągnęła punkt, w którym może tworzyć się deuter, prawie wszystkie istniejące jeszcze neutrony zostały natychmiast włączone w jądra helu. Dokładna wartość temperatury, przy której to nastąpiło, zależy w pewnym stopniu od liczby nukleonuna foton: wyższa gęstość cząstek trochę ułatwiłaby tworzenie się jąder atomowych. Przy stosunku miliard fotonów na nukleon początek nukleosyntezy przypada na temperaturę 900 milionów stopni Kelvina(0.9*109K). W tym momencie mija już trzecia minuta i czterdziesta szósta sekunda od sytuacji z pierwszego kadru. Tuż przed nukleosyntezą rozpad neutronów doprowadził do następującej proporcji: 13% neutronów wobec 87% protonów. Wagowy udział helu po nukleosyntezie jest dokładnie równy udziałowi wszystkich nukleonów, które zostały związane w jądra helu. Połowę tych nukleonów stanowią neutrony, a ponieważ rzeczywiście wszystkie neutrony są związane w jądra helu, przeto udział wagowy helu jest po prostu równy podwójnemu udziałowi neutronów wśród cząstek jądrowych (ok. 26%). Jeżeli gęstość nukleonów była nieco większa, to nukleosynteza rozpoczęła się wcześniej, kiedy nie zdążyło się jeszcze rozpaść tak wiele neutronów, ale i tak ilość wytworzonego helu nie przekraczała zapewne 28% . Kadr szósty – Temperatura wszechświata wynosi obecnie trzysta milionów stopni Kelvina (3*108K). Od momentu zarejestrowanego przez pierwszy kadr upłynęło 34 minuty i 40 sekund. Elektrony i pozytony uległy już całkowitej anihilacji z wyjątkiem małej nadwyżki (jedna miliardowa) elektronów, potrzebnej do zrównoważenia ładunku protonów. Energia uwolniona w procesie anihilacji spowodowała teraz trwałe podniesienie temperatury fotonów o 40.1% powyżej temperatury neutrin. Gęstość energii Wszechświata jest teraz równoważna gęstości masy odpowiadającej 9.9% gęstości wody. Trzydzieści jeden procent tej energii zawarte jest w neutrinach, pozostałe w fotonach. Obecnej gęstości energii odpowiada charakterystyczny czas ekspansji wynoszący około 75 minut. Procesy jądrowe zostały zahamowane: większość nukleonów jest obecnie związana a jądra helu albo występuje w postaci wolnych protonów (jądra wodoru), przy czym hel stanowi wagowo od 22-28%. Na każdy wolny lub związany w jądrze proton przypada jeden elektron, ale Wszechświat jest wciąż zbyt gorący, aby mogły w nim istnieć trwałe atomy. [5] Rezultatem dalszego ochładzania się i wzrostu Wszechświata w ciągu następnych 700`000 lat było obniżenie się temperatury do tego stopnia, że stało się możliwe, by ujemnie naładowane elektrony zajęły miejsca w sąsiedztwie dodatnio naładowanych protonów i cięższych jąder i pozostały tam dzięki działaniu sił elektromagnetycznych.

W miarę rozrastania się i ochładzania się Wszechświata również wodór i hel rozprzestrzeniał się

W ten sposób powstały atomy wodoru i helu. Atomy helu nie wiążą się ze sobą w żadnych warunkach, natomiast dwa atomy wodoru, zderzając się w dostatecznie niskiej temperaturze, łączą się tworząc dwuatomową cząsteczkę. W miarę rozrastania się i ochładzania się Wszechświata również wodór i hel rozprzestrzeniał się we wszystkich kierunkach. Można by zatem przypuszczać, że Wszechświat powinien stanowić jednorodną chmurę wymieszanych ze sobą gazów, które rozrzedzały się równomiernie, musiały bowiem wypełniać rosnącą wciąż objętość Wszechświata. Jednak z jakiegoś nieznanego powodu gęstość obłoku nie była jednorodna. Być może w wyniku przypadkowych fluktuacji i spowodowanych nimi zaburzeń atomy ułożyły się tak, że utworzyły się wolno wirujące obszary o większej od przeciętnej gęstości, oddzielone od siebie rejonami o gęstości mniejszej niż przeciętna. Gdyby atomy mogły nadal wykonywać chaotyczne ruchy, te różnice z czasem by zanikły. Obszary o większej gęstości stopniowo traciły by część atomów, które przepływały by do rejonów o gęstości mniejszej; zatriumfowała by tendencja do ujednolicenia wszystkiego. Może się jednak tak wydarzyć, że raz uformowany obszar o większej gęstości okazuje się trwały. Natężenie pola grawitacyjnego wzrasta wraz z gęstością. Silniejsze pole grawitacyjne przeciwdziała skłonności bezwładnie poruszających się atomów do „ucieczki”. Co więcej, obszar o dużej gęstości może wytworzyć pole grawitacyjne dostatecznie silne, by „zagarniać” atomy z obszarów bardziej rozrzedzonych. W wyniku tego procesu w obszarach o większej gęstości wzrasta ona stale, w pozostałych maleje. W ten sposób, w miarę upływu czasu, jednolity początkowo obłok wodoru i helu zagęszcza się, tworząc olbrzymie chmury gazu oddzielone niemal doskonałą próżnią. Te gigantyczne obłoki mają masę i objętość równe dzisiejszym galaktykom, a nawet całym gromadom galaktyk; możemy je nazywać protogalaktykami. Również w obszarze protogalaktyk pojawiają się niejednorodności wywołane przypadkowymi ruchami atomów. Protogalaktyki składają się w efekcie z miliardów mniejszych obłoków gazowych rozdzielonych pustą przestrzenią. Protogalaktyki obracają się wokół siebie; podobnie zachowują się mniejsze obłoki w nich wnętrzu (co ciekawe, są to ruchy o różnych kierunkach, a jeżeli wszystkie dodamy do siebie, zrównoważą się wzajemnie. Wszechświat – jako całość – nie wykonuje zatem żadnego ruchu obrotowego.) [3] Każda chmura gazowa ma swoje własne pole grawitacyjne. Chmura gazowa o dostatecznie dużej gęstości będzie miała pole grawitacyjne na tyle silne, że doprowadzi to do jej kurczenia się. Gdy chmura gazowa zaczyna się kurczyć, gęstość jej rośnie, a w konsekwencji wzrasta też natężenie jej pola grawitacyjnego. Rośnie również skuteczność całego procesu – kurczenie się chmury gazowej będzie przebiegać z coraz większą prędkością. Ciśnienie i temperatura w środku obłoku również wzrastają; wreście osiąga poziom umożliwiający rozpoczęcie syntezy jądrowej. Temperatura obłoku również wzrasta gwałtownie i uzyskuje wartość, przy której gaz zaczyna świecić. A wtedy mamy do już czynienia nie z obłokiem, lecz z gwiazdą.