Czym był Wielki Wybuch?

Wiem, że jest to ilustracja komórki. Ale zdjęcie to nie znalazło
się tutaj przypadkowo ;-)

Zanim cokolwiek zaczniesz czytać- po prawej stronie tekstu jest pasek zakładek. Zachęcam do wybrania pierwszej zakładki po prawej i kliknięcia głosu w mini ankiecie. Dziękuję. ;-)

A co mi tam. Długo nie chciałem publikować tego artykułu, ponieważ jest on częścią znacznie szerszej opowieści nad którą pracuję, ale postanowiłem, że podzielę się z Wami przynajmniej częścią tekstu, z którego naprawdę jestem dumny, ponieważ myślę, że udało mi się w sposób w miarę prosty przedstawić bardzo ważne i trudne do zrozumienia zagadnienie jakim jest Wielki Wybuch. Dla krytyków- jestem w 100% autorem poniższego tekstu. Mam nadzieję, że z podobną satysfakcją jak ja przejdziecie przez zagadnienie Wielkiego Wybuchu i przynajmniej w małym stopniu poznacie jego prawdziwą naturę. 

Na początku nie było nic, ani materii, ani energii, żadnych oddziaływań, żadnego dźwięku, błysku ani trzasku. Czas nie płynie- on po prostu nie istnieje. „Nagle znikąd pojawia się kula ognia, mniejsza od atomu i zaczyna się szybko rozszerzać”- oto pierwsza pułapka, która czeka nas w trakcie odkrywania czym był Wielki Wybuch. Po pierwsze nie było żadnego ognia- skąd miałby się on wziąć, jeśli nie było w tedy nawet atomów, które są składnikami ognia? Po drugie (ważniejsze!) nie było żadnej kuli. Ludzie często wyobrażają sobie Wielki Wybuch jako zdarzenie punktowe, które miało miejsce w określonym miejscu we Wszechświecie. To jest podstawowy błąd, który nastręcza w toku dalszych przemyśleń wielu paradoksów. Wielki Wybuch nie mógł być  punktowym wydarzeniem w przestrzeni- bo przestrzeni nie było. Musimy zdać sobie sprawę, że przed zajściem najważniejszego zdarzenia jakie miało miejsce, nie było nic. Dosłownie nic. 

Nie było czasu, ani przestrzeni w której coś mogło by się rozegrać. Podobnie utożsamianie Wielkiego Wybuchu jako gigantycznej eksplozji jest błędem, ponieważ sugeruje nam, że coś musiało wybuchnąć, a cała reszta dzięki temu mogła się rozszerzać. Takie myślenie po pierwsze narzuca nam tezę, że cała reszta rozszerzała się w gotowej przestrzeni, oraz co gorsza narzuca nam istnienie ‘centrum Wszechświata’, a jak wiadomo takie centrum nie istnieje. Wielki Wybuch zatem nie był punktową eksplozją. Powinniśmy go bardziej utożsamiać jako gwałtowne rozszerzanie się całej przestrzeni. W najbardziej pierwszym ze wszystkich momentów w historii Wszechświata, gdy z ‘nicości’ wyłoniła się przestrzeń zaczęła się ona bardzo szybko rozszerzać we wszystkich wymiarach- przyjmujemy, że oprócz naszych 3 wymiarów przestrzennych i jednego czasowego istnieją inne wymiary co potem wyjaśnia nam tak niską wartość siły grawitacji obecnej w naszym Wszechświecie. W momencie, gdy z nicości wyłoniła się osobliwość, która powstała bez powodu zaczęła się historia Wszechświata. Mówię tutaj, że zjawisko to nie miało przyczyny, ponieważ fluktuacje kwantowe jakie w tedy musiały zaistnieć zdarzają się czasem bez określonej przyczyny i celu. Jedno jest pewne- to co wtedy powstało było tworem, którego nie potrafimy i przez bardzo długo czas nie będziemy mogli sobie nawet wyobrazić.

Przestrzeń zaczęła się szybko rozszerzać. W powstałej wtedy „przestrzeni”- znacznie mniejszej od pojedynczego atomu- obecna była bardzo silnie skondensowana energia. Na samym początku nie istniała żadna materia, ponieważ warunki jakie wtedy panowały „rozpuściłyby” nawet najmniejsze i najtrwalsze cząstki elementarne. Bardzo ciężko jest opisywać zjawiska jakie zachodziły w momencie Wielkiego Wybuchu, ponieważ działy się one bardzo szybko w obecności nadzwyczajnie wysokich temperatur, ciśnień oraz gęstości, ale postaramy się prześledzić krok po kroku co działo się w pierwszych sekundach po Wielkim Wybuchu.

Tak jak już było powiedziane- na początku nie było nic. Z tego ‘nic’ wyłoniła się niesamowicie mała przestrzeń, wypełniona energią o potężnej temperaturze i gęstości. Dopiero od momentu wyłonienia się z nicości tej małej, gorętszej o tryliardy tryliardów stopni niż wnętrze Słońca struktury, możemy mówić, że zaczął płynąć czas, jaki my znamy. Stan tej struktury był bardzo niestabilny i nie mógł trwać wiecznie… stąd trwał zaledwie 10^-43 sekundy. W czasie Plancka -czyli właśnie w czasie od 0 do  10^-43 sekundy- z energii uformowały się cztery podstawowe siły natury, złączone w jedną supersiłę. Tymi czterema siłami były: siła grawitacji, oddziaływania elektromagnetyczne oraz dwa rodzaje sił jądrowych- silnych i słabych. W okresie 0- 10^-43 sekundy, w tym szczególnym okresie w dziejach Wszechświata, który już nigdy potem nie nastąpił i prawdopodobnie tak się nie stanie, wszystkie te siły były złączone w jedną wielką siłę. Dzisiaj stan złączenia tych oddziaływań w jedno nazywa się teorią wielkiej unifikacji (GUT) (z wyłączeniem siły grawitacji, która do GUT się nie zalicza, ale w okresie chwili po Wielkim Wybuchu, była ona prawdopodobnie połączona z trzema siłami, które są już w teorii GUT uwzględnione). Teoria ta łączy w sobie chromodynamikę kwantową (teorię opisującą oddziaływania silne czyli teoria kwantowa pola) oraz teorię oddziaływań elektrosłabych (teorię mówiącą o oddziaływaniach elektrosłabych i elektromagnetycznych). Według symetrii GUT teoria oddziaływań elektrosłabych opisuję wpływ tych oddziaływań na wszystkie cząstki będące fermionami (cząstki materii tj. kwarki), które zgodnie z chromodynamiką kwantową wymieniają między sobą cząstki zwane bozonami (gluony, bozony pośredniczące, fotony).

Ponieważ atmosfera jaka panowała w chwili istnienia supersymetrii GUT nie pozwalała na istnienie materii po okresie Plancka (czyli w czasie 10^-43 – 10-³⁶ sekundy) nastąpił rozłam czterech oddziaływań. Pierwsza oddzieliła się grawitacja (jest to poza GUT- pamiętajmy, że GUT nie ujmuje w sobie siły grawitacji, mimo wszystko prawdopodobnie była ona włączona w jedną supersiłę). Reszta pozostała spleciona w dalszym ciągu (to już jest typowo GUT). W tym momencie należy zająć się przez chwilę hiperprzestrzennością Wszechświata. W momencie wyłonienia się z nicości przestrzeni, możemy mówić, że przestrzeń ta była wielowymiarowa. Możemy tak mówić- bo tak faktycznie było! Początkowa przestrzeń zawierała prawdopodobnie dziesięć wymiarów. W momencie gdy istniała jeszcze symetria GUT, w temperaturze ponad 10³²K dziesięć wymiarów przenikało się, ale w momencie oddzielenia się od GUT siły grawitacji dziesięć wymiarów również uległo załamaniu. Z dziesięciowymiarowej przestrzeni pozostała czterowymiarowa, jaką dzisiaj znamy i w której żyjemy. Pozostałe sześć wymiarów prawdopodobnie uległo niewyobrażalnemu zwinięciu i jedynym kontaktem z tamtymi wymiarami są struny, które opisuje teoria superstrun.

W kolejnym przedziale czasowym trwającym od 10^-36 do 10^-35 sekundy oddzieliły się od siebie pozostałe oddziaływania- jako kolejne oddzieliły się oddziaływania silne, a splecione pozostały ze sobą oddziaływania słabe i elektromagnetyczne (nazwane oddziaływaniami elektrosłabymi)- nastąpił rozłam chromodynamiki kwantowej oraz oddziaływań elektrosłabych. Na samym końcu nastąpił rozłam oddziaływań jądrowych słabych od oddziaływań elektromagnetycznych. Teraz kiedy mamy już podwaliny całego Wszechświata zaczęła się nowa era- era inflacji kosmologicznej. W tym momencie chciałbym pomówić na temat podstawowych czterech siłach rządzących Wszechświatem i sześciu liczbach, które stanowią rusztowanie rzeczywistości.

Zacznijmy jednak od omówienia oddziaływań. Pierwszą weźmy grawitację, ponieważ ona jako pierwsza oddzieliła się od symetrii GUT. Obok elektromagnetyzmu jest to oddziaływanie, które ma nieograniczony zasięg w przestrzeni. Po prostu oddziałuje bez ograniczeń odległościowych. Pomimo tego, że zasięg oddziaływania grawitacyjnego jest nieskończony (co oznacza, że przedmioty ustawione od siebie w nieskończonej odległości między nimi i tak na siebie oddziałują grawitacyjnie), grawitacja jest najsłabszą siłą. Gdyby porównać ją do oddziaływania najsilniejszego (zwanego silnym), którego wartość przyjmiemy za 1, grawitacja w takim wypadku oddziałuje 10³⁸ razy słabiej. Każde znane oddziaływanie posiada swój własny nośnik. Z wyjątkiem grawitacji, znamy nośniki oddziaływań silnych, słabych i elektromagnetycznych. Nie wiemy, czy grawitacja posiada swój nośnik, ale podejrzewamy, że w istocie istnieją nośniki siły grawitacji i nazywamy je grawitonami. Grawitony zachowywałyby się podobnie jak fotony w oddziaływaniach elektromagnetycznych- rozchodziłyby się w przestrzeni, tworząc swoistą falę, czyli odkształcenie przestrzeni. Teorie zakładają, że każdy obiekt mający masę wytwarza dookoła siebie pole grawitacyjne- podobnie jak naładowany elektron roztacza dookoła siebie pole elektrostatyczne. Pole to zbudowane jest z kwantów będących właśnie hipotetycznymi cząstkami- grawitonami. Kwanty, w tym wypadku grawitony, są to najmniejsze porcje energii, czy najmniejsza porcja czegoś co może z czymś innym oddziaływać. Z obecnego stanu wiedzy wynika, że grawitacja może jedynie przyciągać obiekty do siebie, ale cały czas prowadzone są badania nad hipotetycznym zjawiskiem odpychania się obiektów, przez oddziaływania grawitacyjne.

Prawdopodobnie kolejne oddzieliły się oddziaływania silne. Jak sama nazwa wskazuje są to najsilniejsze ze znanych nam oddziaływań, ale działają na małe odległości bo zaledwie na odległości 10^-15m- nie dalej niż obrąb protonu albo neutronu. Nie bez powodu wspominam tutaj o protonach i neutronach, ponieważ to właśnie w ich wnętrzach możemy obserwować działanie oddziaływań silnych. Siły te działają wiążąco na kwarki, antykwarki i gluony, czyli dzięki tym siłą możliwe jest istnienie trójek kwarkowych wewnątrz protonów i neutronów. Kwarki sklejone są ze sobą, ponieważ bezustannie wymieniają się cały czas cząsteczkami nazwanymi gluonami. Gluony są to właśnie nośniki oddziaływań silnych. Kwarki „rzucają” w siebie różnymi gluonami, które tworzą pole sił kolorowych. Dlaczego pole sił kolorowych? Ponieważ każdy gluon przenosi ładunek kolorowy. Nie chodzi tutaj o kolor taki jaki my postrzegamy. Mówiąc, że gluon przenosi ładunek czerwony, nie oznacza to, że jest to jakieś oddziaływanie, które wygląda na czerwony. Kolor gluonów, podobnie jak zapach kwarków to pewne właściwości. Fizycy badający takie cząsteczki mają bardzo bujną wyobraźnie, stąd pewnie wzięli podobne nazwy. Ładunek koloru jest czymś podobnym do ładunku elektrycznego- jest właściwością cząsteczki. Kwarki wewnątrz protonu i neutronu bez przerwy wymieniają się gluonami, przez co same zmieniają swoje właściwości: neutron zbudowany jest z trzech kwarków: dwóch kwarków dolnych i jednego górnego. Kwarki wymieniając się gluonami przechodzą w swoje różne formy np. kwark górny przechodzi w kwark dolny i na odwrót, ale całość struktury pozostaje niezmienna.  

Wymiana gluonów w hadronach (inna nazwa dla protonów i neutronów) wiąże kwarki w nierozerwalną całość, co przejawia się niezwykłym zjawiskiem- w miarę oddalania się od siebie kwarków, oddziaływanie pola kolorowego nasila się. W „normalnych” warunkach im dalej znajdują się od siebie ciała, tym słabiej na siebie oddziałują. W oddziaływaniach silnych jest inaczej. Rozsuwanie kwarków od siebie powoduje naprężanie się pola sił kolorowych co przejawia się zwiększaniem jego energii. Jest to niezwykłe zjawisko, ponieważ chcąc rozerwać kwarki, produkujemy je: energia potrzebna na rozerwanie pola sił kolorowych jest tak wielka, że przekształca się w masę i w momencie rozsunięcia od siebie kwarków z dostarczonej energii „krystalizują” kwarki dopełniające i tworzą się nowe trójki kwarkowe.

Wyjaśniliśmy sobie co trzyma protony i neutrony same w sobie. Nie wspomnieliśmy o tym, że oddziaływanie silne trzyma protony i neutrony we wnętrzach atomów sklejone ze sobą. Jak już wspomnieliśmy wymianie gluonów towarzyszy zmiana kolorów cząstek, ale proton/ neutron jako całość pozostaje kolorowo obojętny. Istnieje jednak zjawisko wymiany gluonów między kwarkami dwóch różnych protonów i neutronów w obrębie jądra atomowego. Sąsiadujące ze sobą protony i neutrony wymieniają się gluonami, a ich kolor pozostaje obojętny. Pociąga to za sobą kolejne konsekwencje- większe jądra z wielką liczbą protonów i neutronów stają się niestabilne, ponieważ oddziaływania silne działają na bardzo niewielkich odległościach.

Pozostały nam jeszcze sklejone ze sobą oddziaływania słabe i elektromagnetyczne. Ich sklejony twór nazywamy oddziaływaniem elektrosłabym, które opisuje teoria Małej Unifikacji. Oddziaływania słabe oddzieliły się od oddziaływań elektromagnetycznych na samym końcu, ale czym są oddziaływania słabe?

Jest to oddziaływanie o drugiej najsłabszej (obok grawitacji) sile i najmniejszym zasięgu. Siła oddziaływania słabego jest około miliard razy słabsza od oddziaływania silnego. Ciężko jest wytłumaczyć, czym jest oddziaływanie słabe. Mniej więcej jest to oddziaływanie, które umożliwia zachodzenie niektórych rozpadów, tj. rozpad neutronu na proton, przez emisję specjalnej cząsteczki. Tą specjalną cząsteczką jest bozon W, a w innym wypadku może być to bozon Z. Są to cząsteczki przenoszące oddziaływania słabe. W tym momencie trzeba powiedzieć o kolejnej właściwości cząstek- o zapachu. Jest to kolejna właściwość, taka jak ładunek elektryczny, kolor czy spin. Wszystkie wcześniej omawiane oddziaływania (plus oddziaływanie elektromagnetyczne) odbywa się bez zmiany zapachu cząstki. Inaczej mówiąc, kwarki wymieniające się gluonami mogą zmieniać kolor, ale nie zmieniają zapachu. Żeby mogła nastąpić zmiana zapachu cząsteczki, potrzeba do tego rozpadu słabego, czyli pośrednika w postaci bozonu W albo Z. Możemy za przykład wziąć promieniowanie jądrowe beta, które jest najlepszym przykładem oddziaływania słabego. Jeden z dolnych kwarków neutronu, zmienia się na kwark górny, emitując przy tym bozon W^- , który prawie natychmiast zamienia się w elektron i antyneutrino.

Ostatnim typem podstawowych oddziaływań rządzących Wszechświatem są oddziaływania elektromagnetyczne, które podobnie jak oddziaływanie grawitacyjne ma nieskończenie daleki zasięg, a jego siła jest wyższa od energii oddziaływania słabego, ale niższa od oddziaływania silnego. Pośrednikiem oddziaływania elektromagnetycznego jest foton. Oddziaływanie to jest silnie widoczne między cząstkami naładowanymi takimi jak elektrony w atomie, które bez przerwy wymieniają się fotonami, ale mogą również pochłonąć foton spoza atomu, przez co zwiększa się ich energia i przeskakują na wyższe orbity atomu. Powrotowi elektronu na orbitę niższą towarzyszy emisja fotonu o określonej długości fali. Mówimy tutaj o długości fali, ponieważ foton w tym samym czasie zachowuje się jak cząsteczka i jak fala co tłumaczy korpuskularno- falowa teoria dualizmu. Fotony są między innymi odpowiedzialne za to, że możemy obserwować inne przedmioty. Fotony odbijają się od przedmiotów, a dzięki temu, że posiadają określoną długość fali wpadają do naszego oka i są wyłapywane przez receptory, dzięki czemu możemy zobaczyć kształt i barwę przedmiotu. Fotony odpowiedzialne są również za to, że odczuwamy ciepło Słońca.

Zanim przejdę do omawiania ery inflacji kosmologicznej chciałbym poświęcić jeszcze chwilę na uwagę „Sześciu liczbom” („Sześć liczb” to książka napisana przez Martin’a Rees’a w której dokładnie opisał on liczby i ich powiązania, które ja przedstawiam tutaj pobieżnie), które są swoistym przepisem naszego Wszechświata. W momencie gdy rozdzieliły się od siebie wszystkie oddziaływania i symetria GUT przestała istnieć ustaliły się wartości liczbowe pewnych liczb, które opisują dlaczego nasz Wszechświat wygląda tak, a nie inaczej.

Pierwszą ważną liczbą, jest liczba wyrażająca stosunek sił elektromagnetycznych do siły grawitacji. Można to przedstawić na zasadzie dwóch elektronów, znajdujących się w jakiejś odległości od siebie. Ponieważ elektrony oddziałują na siebie za pomocą swoich pól elektrostatycznych, starają się od siebie oddalić, ponieważ posiadają taki sam ładunek, a jak wiadomo- jednoimienne ładunki się odpychają. W tym samym czasie, z uwagi na fakt, że obydwa elektrony posiadają pewną masę, działa na nie siła grawitacji. Siła ta jest zdecydowanie za mała, aby przezwyciężyć oddziaływanie elektrostatyczne.

 Stosunek ten jest niewyobrażalnie  wielki, w porównaniu do innych wielkości i wynosi
N= 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000- co oznacza, że siła grawitacji jest o tyle razy mniejsza od oddziaływania elektrostatycznego. Gdyby stosunek ten był zaburzony o chociażby jedno 0 nasz Wszechświat nie byłby taki sam. Wiemy, że gdyby zabrakło w tym stosunku kilku 0, dzisiaj, nasz wszechświat byłby znacznie mniejszy. Zdarzają się jednak sytuacje, że to grawitacja przebija siły elektromagnetyczne i zaczyna przeważać i dominować. Podczas rozpatrywania obiektów małych takie jak atomy, ziarenka piasku, zwierzęta, czy nawet planety wielkości Ziemi, możemy pominąć wpływy grawitacyjne, ponieważ w skali małej dominują siły elektromagnetyczne. Jednak, gdy skalę powiększymy do rozmiarów Słońca, do głosu dochodzi grawitacja. W małej skali decydujące znaczenie mają ładunki elektryczne posiadane przez cząsteczki. Jak wiemy, oddziaływania grawitacyjne między cząsteczkami są tak małe, że praktycznie nie da się ich zmierzyć, natomiast cząsteczki potrafią silnie oddziaływać na siebie za pomocą pól elektrostatycznych. Zależnie od znaku ładunku cząsteczki, mogą się one odpychać, albo przyciągać. Grawitacja działa zawsze przyciągająca. Wraz ze zwiększaniem obiektu, zwiększa się ilość cząsteczek w jego wnętrzu. Każda kolejna cząsteczka to dodatkowa porcja masy, która generuje siły grawitacyjne. Gdy cząstek jest wystarczająco dużo- jak na przykład w Słońcu, ich wspólna masa jest tak wielka, że potrafią one generować siłę grawitacyjną, która może przeważać nad siłami elektrostatycznymi. Oznacza to, że Słońce powinno się skurczyć, pod działaniem siły własnej grawitacji. Stałoby się tak, gdyby we wnętrzu Słońca zwolniły procesy jądrowe, które wytwarzają tak potężne siły, że są wstanie przeciwstawić się sile zgniatającej grawitacji. Dlaczego ten stosunek jest tak istotny i w momencie, gdyby zabrakło w nim kilki zer nasz świat jaki znamy, nie mógłby istnieć.

Zmniejszenie stosunku oznaczałoby zmniejszenie masy potrzebnej do przejęcia kontroli przez grawitację. Oznacza to, że grawitacja działałaby zdecydowanie silniej, niż w sposób w jaki my to obserwujemy. Przykładowo- zmniejszając stosunek o 6 zer spowodowałoby wzrost siły grawitacji nad siłami elektrostatycznymi o milion razy, co oznacza, że ilość atomów potrzebna do zbudowania Słońca, byłaby o milion razy mniejsza, ponieważ  ta nowa, mniejsza ilość generowałaby taką samą siłę grawitacji jak obecna masa. Podobnie byłoby z Ziemią- po zmniejszeniu stosunku siły grawitacji do sił elektrostatycznych o 6 zer, masa Ziemi byłaby milion razy mniejsza niż jest obecnie. Podobnie z innymi obiektami. Po zmniejszeniu stosunku byłoby w konsekwencji przyspieszeniem wszystkich procesów tj. powstanie galaktyk, czy zachodzenie reakcji jądrowych we wnętrzu Słońca. Zmniejszyłyby się też odległości między ciałami niebieskimi w kosmosie. Po zmniejszeniu stosunku o 6 zer, czyli zwiększeniu siły grawitacji o milion razy, orbity planet zmalałyby o milion razy, a czas istnienia Słońca również uległby skróceniu. Biorąc pod uwagę nasze Słońce- zdążyłoby się ono wypalić, zanim na Ziemi powstałyby nawet prymitywne formy życia. Od momentu powstania Słońca w naszym świecie do dzisiaj minęło około 4,5 miliarda lat. W świecie o zmniejszonym o 6 zer stosunku grawitacji do sił elektrostatycznych, Słońce osiągnęłoby swój obecny stan po upływie 4,5 tysiąca lat.

Jądra atomowe zbudowane są z protonów i neutronów. Oddziałują one na siebie siłą, której wartość wynosi E=0,007. Jest to ‘druga liczba’ budująca nasz świat. Gdyby liczba ta na samym początku stworzenia zawahała się nawet o drobny ułamek swojej wartości cały Układ Okresowy pierwiastków chemicznych nie mógłby istnieć, a słońca nie mogłyby zapłonąć. Zastanówmy się, skąd jednak wzięła się liczba E.

Przyglądając się procesom jądrowym zachodzącym we wnętrzu Słońca, obserwujemy, że energia wyzwalana jest w momencie łączenia dwóch protonów i dwóch neutronów w jądra helu. Z prostych równań fizycznych wynika, że podczas syntezy jąder helu 99,3% masy pozostaje niezmienna, a jądro helu jest o 0,7% lżejsze od masy poszczególnych elementów, które tworzą to jądro. Oznacza to, że te 0,7% zostało uwolnione w postaci energii, a 0,7% to 0,007, czyli liczba E, określająca jaki ułamek masy paliwa przekształca się całkowicie w energię. Liczba E określa jedynie syntezę helu, ponieważ w wyniku syntezy cięższych pierwiastków uwolniona zostaje mniejsza energia, która nie wpływa znacząco na czas życia gwiazdy- w momencie wyczerpania zapasów do syntezy helu, czas życia gwiazdy gwałtowanie się skraca, ponieważ gwiazda nie jest w stanie produkować tyle energii, która podtrzymywała ją przed zgniatającą siłą grawitacji. Zastanówmy się jednak, co by się stało, gdybyśmy pozmieniali sobie wartości E np. na 0,005 i na 0,010. Aby wyjaśnić co by się stało, gdyby, musimy przyjrzeć się procesowi syntezy jąder helu we wnętrzu Słońca. Informacje te będą również cenne w późniejszych etapach niniejszej książki, gdy będziemy dyskutowali o powstaniu i działaniu Słońca.

Reakcje termojądrowe, inaczej znane jako reakcje fuzji jądrowej, czyli zjawiska zachodzące we wnętrzu gwiazdy mogą zachodzić na dwa sposoby. Jądra helu mogą powstawać w cyklu protonowym, któremu się przyjrzymy, oraz w cyklu węglowo- azotowo- tlenowym.

Cykl protonowy nie jest jednostopniową reakcją. Składa się na niego szereg pięciu reakcji, które następują po sobie w odpowiedniej kolejności. W pierwszym etapie, we wnętrzu Słońca, potrzebujemy dwóch jąder wodoru- czyli protonów. Wodoru na Słońcu jest bardzo dużo- miliardy miliardów ton, stąd z dostępem do wodoru nie ma problemu. Ale zaraz… do reakcji potrzebujemy protony, czyli jądra wodoru, a my mamy do dyspozycji wodór, czyli proton i okrążający go elektron. Zanim zacznie się fuzja jądrowa, musimy obedrzeć wodór z powłoczki elektronowej. Nie jest to trudne. Robimy to w laboratoriach. W podwyższonej temperaturze może nastąpić jonizacja atomu, czyli oderwanie od jego jądra elektronu. Ponieważ wodór składa się tylko z protonu i elektronu, potrzeba trochę większej energii, ale z uwagi, że temperatury na Słońcu wahają się od około 3 milionów Kelwinów na powierzchni, aż po 13600000 milionów Kelwinów we wnętrzu, stąd z jonizacją wodoru na elektron i proton nie ma problemu. Z uwagi na ogromne temperatury panujące na Słońcu proton uzyskuje ogromną energię kinetyczną i zaczyna poruszać się z ogromną prędkością. Bardzo szybko jednak trafia na inny proton powstały w taki sam sposób. Tutaj dzieją się rzeczy podobne, jak te które dzieją się na autostradzie, gdy zderzają się ze sobą dwa auta pędzące ponad sto kilometrów na godzinę- dochodzi do wielkiej (w mikroskali) kolizji i wymianie swoich elementów- w tym wypadku cząsteczek subatomowych. Protony dosłownie zlewają się ze sobą i mieszają swoje cząsteczki subatomowe, dzięki czemu powstaje dwór będący jądrem deuteru, neutrino i pozyton. Jądro deuteru składa się z neutronu i protonu. Wydaje się to dziwne, ponieważ dwa zderzające się protony mają tak jakby dwa ładunki dodatnie, a produkt zderzenia ma jeden ładunek dodatni i jedną cząsteczkę bez ładunku. Gdzie więc podział się nadmiar ładunku dodatniego? Otóż zabrał go ze sobą pozyton, który jest cząsteczką antymaterii, dokładniej jest to elektron, ale z ładunkiem dodatnim. Pozyton daleko nie ucieknie. Prawie od razu spotyka po drodze jakiś samotny elektron i następuje przedziwne zdarzenie- anihilacja. Zawsze, gdy antymateria spotyka materię, następuje jej całkowita anihilacja, czyli unicestwienie dwóch cząstek i wydzielenie najczystszej postaci energii jaką można sobie wyobrazić. Proces ten zachodzi ze stu procentową wydajnością. W czasie mniejszym od miliardowej, miliardowej, miliardowej sekundy zderzający się pozyton i elektron uwalniają energię w postaci dwóch fotonów promieniowania gamma, które z prędkością światła uciekają w przestrzeń kosmiczną. Wróćmy jednak do naszego jądra deuteru. Deuteron również rozpędzany jest do ogromnych prędkości, zyskując tym samym ogromną energię i w pewnym momencie zderza się z jądrem wodoru- protonem. Ponownie dochodzi do kolizji, w wyniku której powstaje jądro helu-3 oraz zostaje ponownie wypromieniowany kwant gamma, który zabiera ze sobą część energii. Nie jest to jednak ten hel o który nam chodzi, ponieważ powstały w tej reakcji posiada dwa protony i jeden neutron, a wersja o którą nam chodzi posiada po dwa protony i neutrony. W ostatnim etapie jądra helu-3 znowu są rozpędzane, aż do momentu, gdy dwa takie jądra spotkają się, a przez wymianę cząsteczek subatomowych powstaje jądro helu-4 (czyli to o które nam chodzi), oraz odtwarzają się dwa protony. Przyglądając się całemu procesowi widzimy, że potrzeba do niego czterech protonów, aby mogła powstać jedna cząsteczka helu. Jak już wcześniej było powiedziane- masa końcowego produktu- czyli jądra atomu helu, jest o 0,7% masy lżejsza niż masa tworzących go składników nie będących ze sobą połączonymi. Liczba 0,007 jest wartością stałą określającą jaki ułamek materii przekształcony został e energię, którą ukradły np. wypromieniowane kwanty promieniowania gamma.

Gdyby jednak zmniejszyć wartość E do 0,005, okazałoby się, że już pierwszy etap procesu- zderzenie dwóch protonów nie dałoby rezultatów, ponieważ uwolniłyby one zbyt mało energii, aby mogły się ze sobą połączyć dając deuteron. W takich warunkach niemożliwa stałaby się fuzja jądrowa, a nigdzie we Wszechświecie nie zaświeciłaby ani jedna gwiazda. Gdyby jednak wartość E podnieść do 0,01, silne oddziaływania między cząsteczkami byłyby tak silne, że w wyniku fuzji jądrowej uwolniona zostałaby znacznie większa energia. Wartość E można utożsamiać również z energią z jaką oddziaływania silne sklejają cząstki wewnątrz atomów. W normalnych warunkach protony odpychają się tak mocno, że nie jest możliwe powstanie jądra helu bez udziału neutronów, które tak jakby sklejają ze sobą protony, ponieważ wartość E jest na tyle za mała, aby protony mimo odpychania elektrostatycznego mogły się ze sobą skleić (stąd też wcześniejszy wniosek, że gdyby wartość E zmalała jeszcze bardziej, klej byłby jeszcze słabszy i cząstki subatomowe, po prostu by się ze sobą nie kleiły). Gdyby E wzrosła, klej międzycząstkowy zostałby umocniony i mimo odpychania, protony mogłyby się ze sobą łączyć bez udziału neutronów. Gdyby tak było, tuż po Wielkim Wybuchu, wszystkie protony, które w nim powstały posklejałyby się ze sobą i nie byłaby możliwa fuzja jądrowa, ponieważ całe potrzebne paliwo by nie istniało.

 Liczba trzecia, czyli parametr kosmologiczny Ω mówi nam o rozkładzie gęstości materii we Wszechświecie. Dzisiaj wiemy, że gęstość Wszechświata to około 9,9 × 10⁻³⁰ gramów na centymetr sześcienny. Gdyby wartość ta, która została ustalona już w erze Plancka miała minimalnie inną ilość, Wszechświat być może nigdy nie wszedłby w fazę inflacji kosmologicznej, albo nie powstałyby żadne znane nam zagęszczenia materii tj. galaktyki. Przyjrzyjmy się jednak trochę bardziej tej wielkości. Obecna gęstość Wszechświata wynosi około jeden atom na metr sześcienny. Cała reszta to pustka. Sama wartość Ω w sobie nie jest jednoznacznie rozkładem materii, a jedynie stosunkiem gęstości materii do gęstości krytycznej. Wartość Ω określa co stanie się ze Wszechświatem, zależnie od tego czy jesteśmy powyżej jedności, czy poniżej. Przyjrzyjmy się tej stałej uważniej, ponieważ jest to stała, która nie ma wartości, ponieważ wartość nie jest do teraz znana- wiemy, że jakaś istnieje, ale nie mamy pojęcia ile wynosi. Żeby w pełni zrozumieć idee Ω musimy wiedzieć czym jest gęstość krytyczna. 

Gęstość krytyczna, jest to taka gęstość materii w przestrzeni kosmicznej, jaką miałby Wszechświat o zerowej krzywiźnie i płaskiej geometrii przestrzennej. Jest to dość zawiłe stwierdzenie, podobnie jak zawiły jest wzór i wartość gęstości krytycznej. Dla uproszczenia wywodu, przyjmijmy, że gęstość krytyczna jest to taka gęstość, która stanowi pewną granicę i decyduje o tym co stanie się z Wszechświatem. Gdy porówna się do siebie wartość gęstości Wszechświata i gęstości krytycznej otrzymujemy wartość Ω. Gdy wartość Ω jest mniejsza od 1 Wszechświat będzie się wiecznie rozszerzał, gdy wartość ta przekroczy 1, w którymś momencie rozszerzanie Wszechświata ulegnie spowolnieniu, zatrzymaniu i cofnięciu, a wszystko skurczy się do pierwotnego stanu osobliwości. Obecne badania wskazują, że Wszechświat będzie rozszerzał się w nieskończoność, ponieważ Ω wynosi około 1/25.

 Liczba ℷ mówi o sile ‘kosmicznej antygrawitacji’ czyli sile, która zmusza Wszechświat do ciągłego rozszerzania się. Nie widać tego w skali lokalnej, ponieważ fakt rozszerzania przestrzeni widać w skali, której dolna granica to około miliard lat świetlnych. Bardzo ważnym elementem kosmicznej układanki jest bardzo znikoma wartości liczby ℷ. Gdyby wartość ta była wyraźnie większa nigdy nie doszłoby do powstania galaktyk, a Wszechświat mógłby się już dawno skurczyć. Wiemy natomiast, że w miarę jak przestrzeń będzie się dalej rozszerzała wartość ℷ będzie prawdopodobnie rosła, aż do momentu w którym przeważy ona resztę sił i nastąpi faza wielkiego kurczenia (inaczej Wielkiego Kolapsu). Nie jest to oczywiście pewne, ponieważ coraz więcej danych świadczy o tym, że Wszechświat będzie rozciągał się w nieskończoność.

Przedostatnią liczbą jest Q, która prezentuje stosunek dwóch głównych energii panujących we wczesnym etapie istnienia Wszechświata, oraz energii, które spotykamy dzisiaj- grawitacja i energia rozproszenia jakiegoś układu.  Q wynosi około 1/ 100 000. Świadczy ona o zaburzeniach jakie pojawiły się w momencie wielkiej anihilacji. Gdyby wartość ta była inna niż jest świat albo nigdy nie posiadałby żadnej materii, albo byłby zdominowane przez gigantyczne czarne dziury.  

Ostatnią liczbą jaka stanowi ‘przepis na nasz Wszechświat’ jest licha D, która wynosi 3. Mówi ona o ilości wymiarów przestrzennych jakie posiada nasza rzeczywistość. Oczywiście wiemy, że istnieje dla nas jeszcze czwarty wymiar, ale jest to wymiar czasowy, a nie przestrzenny. Jak już mówiłem wcześniej z pozostałymi sześcioma wymiarami, które zostały zwinięte podczas stworzenia mam ‘’kontakt’’ za pomocą superstrun.

Superstruny są strukturami o długości Plancka (10^-35m), które drgają z odpowiednią częstotliwościom w 10 wymiarach. Częstotliwość z jaką drga struna utożsamiana jest z cząstką jaka w wyniku tych drgań powstaje. Ja skłaniam się z teorią, że drgania superstrun są tak wysokoenergetyczne, że energia tych drgań zgodnie ze wzorem E=mc² w naszych wymiarach przestrzennych manifestuje swoją obecność jako cząstka elementarna; np. jedne struny drgające z określoną częstotliwością mają taką energię, która pozwala manifestować im się jako kwarki, a inne mają energię, która manifestuje się jako fotony.

Ale po co mowa o czterech podstawowych siłach i sześciu liczbach? Dlaczego to wszystko jest tak istotne do zrozumienia Wielkiego Wybuchu i tego co się później działo? Odpowiedź jest bardzo prosta- te cztery siły i sześć liczb są przepisem na nasz Wszechświat. Tylko dzięki temu, że wszystko jest tak idealnie dopasowane nasz Świat jest taki jaki jest i można powiedzieć, że działa. Może to prowadzić do fałszywej hipotezy, że coś, albo ktoś nastroił wszystko w tak idealny sposób. Oczywiście jest to fałszywa hipoteza, ponieważ jest czystym przypadkiem, że prawa fizyki są takie, a nie inne.

Wróćmy natomiast do momentu 10^-35 sekundy po stworzeniu w momencie, gdy wszystkie oddziaływania są już od siebie oddzielone. Można powiedzieć, że kryształ stworzony ze wszystkich sił rozpadł się, a całość struktury która w tedy została narodzona jest już nastrojona. W czasie biliardowych biliardowych sekundy zostały stworzone wszystkie podwaliny fizyki, matematyki i chemii, powstały wszystkie prawa i ustaliły się wszystkie wartości jakie znamy i jakie poznamy.

10^-35 sekundy po stworzeniu Wszechświat jest za mały by cokolwiek mogło w nim zajść. 

W okresie od 10^-35 do 10^-32 sekundy cała przestrzeń, która była mniejsza o miliardy miliardów razy od atomu powiększyła się do rozmiarów piłki bejsbolowej. Przyrost w okresie od 10^-35 do 10^-32 sekundy o ponad 10⁵⁰ razy, był największym powiększeniem przestrzeni w historii całego Wszechświata.

Teoria inflacji kosmologicznej uważa, że przed wejściem w fazę inflacji Wszechświat miał średnicę około 10^-52metra, czyli był zdecydowanie mniejszy od najmniejszych cząstek elementarnych. Masa Wszechświata wynosiła w tedy zaledwie kilka gramów. Energia wydzielona w procesie inflacji kosmologicznej była tak wielka, że mogła powstać z niej materia.   Wyjaśnienie procesu inflacji kosmologicznej jest bardzo skomplikowane, ponieważ wymaga stosowania tutaj pojęć związanych z fizyką kwantową. Na chwilę przed inflacją Wszechświat był w fazie fałszywej próżni. Jest to teoria, która może łączyć się również z tym dlaczego nasz Wszechświat w ogóle powstał. Próżnią nazywa się obszar przestrzeni, w którym nie ma żadnej cząstki, czyli energia danego obszaru jest w swoim minimum. Teoria strun zakłada, że istnieją inne wszechświaty o niższej energii niż energia próżni w naszym Wszechświecie. Nasz Wszechświat może się teoretycznie rozpaść, tworząc taki nowy wszechświat, w którym pozornie z niczego powstałyby nowe cząstki elementarne. Pojęciem fałszywej próżni nazywamy zjawisko, gdy w danym momencie określony stan kwantowy znajduje się w swoim minimum energetycznym i nic tego minimum nie może obniżyć, ale gdzieś obok tego stanu jest stan, który znajduje się w jeszcze większym minimum. Pozornie dla pierwszego stanu jest on w momencie ‘właściwej próżni’ ale jest ona fałszywa, bo istnieje inny stan o jeszcze niższej energii.

W momencie gdy nasz Wszechświat znajdował się w momencie fałszywej próżni, wartości skalarne pól Higgsa są w swoim minimum, przez co po ich rozpadzie następuje zjawisko prawdziwej próżni. W tym procesie zwanym zjawisko tunelowania zostało stworzone ujemne ciśnienie, które spowodowało, że objętość Wszechświata mogła rosnąć, bez zmniejszenia jego gęstości. Dla objaśnienia zjawisko tunelowe dla fizyki klasycznej jest paradoksem, ponieważ łamie zasady zachowania energii. O zjawisku kwantowego tunelowania mówi się, gdy dana cząstka o określonej energii może przeskoczyć przez barierę potencjału o energii wyższej. Teoretycznie i logicznie jest to niemożliwe- to tak jakby lecący komar chciał przebić betonowy mur. Nie będę tutaj rozwodził się na temat działania tego zjawiska, ale musimy przyjąć za fakt, że jest ono możliwe, chociażby z tego względu, że wykorzystujemy je w technice.

Wracając do inflacji. W momencie Gdy Wszechświat był w stanie fałszywej próżni na skutek kwantowego tunelowania wytworzyło się ujemne ciśnienie, które spowodowały wzrost objętości Wszechświata, bez zmiany gęstości pierwotnego tworu. Musimy cały czas pamiętać, że nastąpiło rozszerzanie przestrzeni, a nie miejsca w przestrzeni. To przestrzeń z wielkości mniejszej od wielkości składowych jądra atomu powiększyła się do rozmiarów piłki bejsbolowej i z obliczeń wynika, że stało się to z prędkością większą od prędkości światła.

Teoria inflacji jest bardzo kuszącą teorią ponieważ wyjaśnia ona 3 podstawowe problemy: podobieństwo, gładkość i płaskość Wszechświata. Mówiąc, że Wszechświat jest płaski nie mamy na myśli dosłownej płaskości w wyobrażeniu Wszechświata jako stołu. Mamy na myśli to, że dwie równoległe wiązki światłą poruszające się w przestrzeni zawsze pozostaną równoległe. Wiązki te biegną po membranie czasoprzestrzennej. Membranę tą możemy potraktować dosłownie jak gumową powierzchnie, w której ciężkie obiekty odkształcają ją. Oczywiście trzeba pamiętać, że w rzeczywistości Wszechświat ma trzy wymiary przestrzenne, dlatego porównanie czasoprzestrzeni do membrany obarczone jest sporym błędem. Teoria inflacji wyjaśnia również idealny rozkład promieniowania mikrofalowego Wszechświata we wszystkich jego kierunkach. Stanowi to również dowód, że nie ma centrum Wszystkiego. Promieniowanie mikrofalowe tła, inaczej promieniowanie reliktowe ma temperaturę 2,73 stopni Kelwina i jest mikrofalową pozostałością Wielkiego Wybuchu. W momencie stworzenia Wszechświat był bardzo gorący, potem w miarę rozszerzania i stygnięcia pozostały w nim fotony o określonej długości fali. Inflacja kosmologiczna wyjaśnia dlaczego obszary Wszechświata, które są położone tak daleko od siebie, że nie są wstanie porozumiewać się w żaden sposób mają te samą temperaturę poświaty. Inflacja wyjaśnia też problem gładkości, czyli dlaczego galaktyki są porozrzucane w przestrzeni równomiernie.

Przejdźmy teraz do czasu będącego erą po wielkiej inflacji kosmologicznej. Zdarzyła się tam bardzo ważna rzecz. Z „obłoków” energii o gęstości 10⁷⁰ gram na centymetr sześciennych i temperaturze 10²⁸ K wykrystalizowały się najbardziej podstawowe z podstawowych budulców materii i antymaterii. Temperatura była na tyle niska, że zgodnie z równaniem Einsteina z energii krystalizowały się struktury takie jak kwarki, antykwarki, leptony, antyleptony i inne. Stała się tam jeszcze jedna bardzo ważna rzecz- asymetria. Z niewiadomych powodów w tamtym czasie między ilościami materii i antymaterii wystąpiła różnica. Jeszcze przed wejściem w erę inflacji rozegrała się wielka „bitwa” między materią i antymaterią. Jak wiemy materia spotykająca się ze swoim odpowiednikiem- antymaterią- ulega anihilacji czyli całkowitemu przekształceniu w promieniowanie. W bilardowych ułamkach sekund materia anihilowała z antymaterią. Na szczęście istniała w tedy mała nierównowaga między nimi i to co do dzisiaj obserwujemy w kosmosie- galaktyki, gwiazdy, komety i nas samych jesteśmy pozostałościom po tej wielkiej „bitwie”. My i to wszystko co widzimy jesteśmy tą nieznaczną nadwyżką materii nad antymaterią.

Później nastąpiła era hydronowa trwająca od 10^-12 do 10^-4 sekundy. Temperatura spadła wtedy z 10¹⁵ do 10¹³ stopni Kelwina a gęstość Wszechświata wynosiła około 10¹⁷ grama na centymetr sześcienny. Z materii tworzonej jedynie przez kwarki i leptony zaczynają powstawać pierwsze cząstki elementarne takie jak protony i neutrony. Temperatura jest już na tyle niska, że nie ulegają one „wyparowaniu”. Protony podobnie jak i neutrony złożone są z trzech kwarków. Protony mają w swoim składzie dwa kwarki górne i jeden dolny, a neutrony dwa kwarki dolne i jeden górny. Powstanie protonów i neutronów było możliwe, gdy kwarki zbijały się w trójki, które zaczęły wymieniać między sobą gluony- cząstki odpowiedzialne za istnienie oddziaływań jądrowych słabych. W czasie, gdy z kwarków powstają protony i neutrony zaczynają powstawać cząstki innego rodzaju- leptony (do których w tamtym czasie można głownie zaliczyć neutrina). Obecnie neutrina nie oddziałują z materią prawie w ogóle, ponieważ jest ona dla nich przezroczysta. W erze hadronowej, materia była tak zagęszczona, że neutrina bardzo intensywnie oddziaływały z powstającymi cząstkami.

W okresie od 10^-4 sekundy do 10 sekund gdy temperatura spada z 10¹³ do 10¹⁰ a gęstość nie przekracza 10⁴ grama na centymetr sześcienny zaczynają z energii krystalizować się pozostałe elementy tj. elektrony, pozytony (między elektronami i pozytonami w tym samym czasie zaszła anihilacja z ponowną nadwyżką elektronów nad pozytonami). Gęstość Wszechświata spada na tyle, że staje się on przezroczysty dla neutrin, które przestają oddziaływać z materią. Era ta nazywa się erą leptonową- z uwagi na powstanie znacznych ilości elektronów. Następną erą jest era nukleosyntezy trwająca około 17 minut. Temperatura spadła do około 10 000 stopni Kelwina a gęstość do 1 grama na centymetr sześcienny. W tych warunkach oddziaływania silne wiążą protony i neutrony w jądra helu i znikome ilości jąder litu i berylu. Po upływie około 1000 sekund od Wielkiego Wybuchu rozpadowi ulegają samotne neutrony. W ciągu najbliższych 380 tysięcy lat temperatura będzie spadać do około 3000K. W takich warunkach powstają pierwsze niezjonizowane atomy. Przestrzeń wypełniona jest głównie wodorem, oraz mniejszą ilością helu, litu i berylu.  Mniej więcej w okresie owych 380 tysięcy lat wartość promieniowania mikrofalowego spada do temperatury znanej nam dzisiaj.

Możemy powiedzieć, że u schyłku 380 tysięcy lat po Wielkim Wybuchu zakończyła się pewna faza, w wyniku której powstały podwaliny praw fizyki oraz materia budująca nasz Wszechświat. Kolejne 14 miliardów lat jest opowieściom, którą znamy o wiele lepiej. Kolejne rozdziały opowiadają o powstaniu pierwszych gwiazd, skupisk galaktyk oraz nas samych. 

Zachęcam do komentowania, przekazywania dalej i odwiedzania Facebook'a !