Wszechświat krok po kroku

Tekst
0
Recenzje
Przeczytaj fragment
Oznacz jako przeczytane
Jak czytać książkę po zakupie
Czcionka:Mniejsze АаWiększe Aa

• 1 mld lat przed końcem: „rozbiegają się” gromady galaktyk (zob. rozdział [K3]);

• 60 mln lat przed końcem: „rozbiega się” Droga Mleczna;

• 3 miesiące przed końcem: rozpada się Układ Słoneczny;

• 30 minut przed końcem: rozpada się (eksploduje) Ziemia;

• 10–19 s przed końcem: rozpadają się atomy;

• ostatnie 10–19 s: kolejno rozpadają się jądra atomowe, protony i neutrony, ostatecznie następuje „degeneracja fizyki” [Caldwell i in. 2003, s. 3].

„Klasycznie” uznaje się jednak, że do tak skrajnej ewentualności nie dojdzie i że ustali się w miarę „rozsądny” bilans pomiędzy ciemną energią a innymi formami energii. Czego więc można realistycznie spodziewać się po przyszłości?

W ciągu następnych kilkudziesięciu miliardów lat materia spłynie niemal całkowicie ku poszczególnym wyspom. Ostatecznie przeważy proces rozszerzania się Wszechświata i wyspy te już na wieki będą oddalać się od siebie nawzajem, oddzielone przepastnymi przestrzeniami praktycznie całkowicie pozbawionymi materii. W pewnym momencie odległości pomiędzy wyspami będą na tyle duże, że zniknie możliwość kontaktu pomiędzy nimi. Innymi słowy, hipotetyczny mieszkaniec którejś z nich nie miałby żadnej możliwości dowiedzenia się, że istnieją inne wyspy.

Początkowo będą one rojami orbitujących wspólnie galaktyk, jednak z każdym kolejnym milionem, miliardem i bilionem lat zaczną one zlewać się ze sobą, tworząc ostatecznie jedną gigantyczną galaktykę eliptyczną (zob. rozdział [K4]). Przewiduje się[10], że również składające się na owe galaktyki obiekty gwiazdowe (lub pozostałości gwiazdowe, zob. rozdział [K5.4]) będą zderzać się ze sobą i łączyć w jeden centralny obiekt, będący prawdopodobnie gigantyczną czarną dziurą. Rozumowanie jest takie, że jeśli poczeka się odpowiednio długo, to krążące chaotycznie wokół wspólnego środka masy pozostałości gwiazdowe pozderzają się ze sobą. Ostatecznie wszystkie obiekty w danej wyspie miałyby złączyć się w jedną koncentrację masy. Wszechświat tego typu miałby więc postać doskonale od siebie odseparowanych punktów masy oraz rozchodzących się w nieskończonej przestrzeni fotonów (i, być może, innych cząstek) o energii zdążającej do zera. Byłoby to z pewnością bardzo eleganckie zakończenie historii Wszechświata. Od doskonałego rozproszenia całej energii w przestrzeni, po jej doskonałe skoncentrowanie w postaci odizolowanych od siebie, zawieszonych w nieskończonej próżni punktów.

Fizyka spekulatywna pozwala na przewidywanie interesujących dodatkowych epizodów w odległej przyszłości Wszechświata. Przykładowo może być tak, że proton, który wydaje się być cząstką stabilną, jest jednak niestabilny i w absurdalnie długiej skali czasowej (trudno przewidzieć jakiej; podaje się wartości typu 1030–10130 lat [Adams i Laughlin 1997]) rozpada się. Niewykluczone więc, że po upłynięciu odpowiednio dużego czasu cała materia Wszechświata zamieni się w fotony. To kolejny silnie pobudzający wyobraźnię scenariusz: Kosmos składający się ostatecznie niemal wyłącznie z cząstek światła.

Są to wszystko jednak spekulacje. Mówimy tu, bądź co bądź, o kosmologii – nauce, która nie do końca radzi sobie nawet z opisem teraźniejszości, a co dopiero odległej przyszłości. Spekulacje takie to niepewny grunt – niby oparte na fizyce, jednak karmione raczej wyobraźnią niż obserwacjami i realnymi potrzebami naukowymi. Wróćmy więc na bezpieczne łono świata obserwowalnego. Zanim przyjrzymy się temu, jak dokładnie ewoluuje kosmiczna wyspa (rozdział [K3]), zróbmy jeszcze krok wstecz i zapoznajmy się z podstawowymi etapami Wielkiego Wybuchu (rozdział [K2]). Dzięki temu będziemy wiedzieć, z czego właściwie składa się ów kosmiczny ośrodek, którego ewolucję będziemy śledzić we wszystkich kolejnych rozdziałach tej książki.


Rys. K2. Fazy Wielkiego Wybuchu. Po lewej stronie oznaczono zakres siedmiu faz ewolucji Wszechświata (0–VII) oraz czasy przejść pomiędzy nimi. Kulki pomarańczowe (p+): protony. Kulki ciemnoniebieskie (n): neutrony. Kulki jasnozielone: leptony (e-: elektrony, e+: pozytony, μ: miony, τ: taony). Kulki żółte: kwarki (odmiany: u, d, c, s, t, b). Kulki białe: cząstki nieodpowiadające żadnym odmianom występującym dziś we Wszechświecie. Linie falowane (γ): fotony. Linie falowane przerywane (ν): neutrina (odmiany e, μ, τ odpowiadają poszczególnym typom leptonów, np. neutrino mionowe: νμ). Sprężynki: gluony. Nadkreślenie nad nazwą cząstki oznacza antycząstki.

[K2] Wielki Wybuch

• Historię Wszechświata można podzielić na dwie wielkie epoki: fazę przemian globalnych i fazę przemian lokalnych.

• Faza przemian globalnych to epoka, kiedy cały Wszechświat w całej swej objętości znajdował się w jednym stanie, wyznaczanym głównie przez panującą wówczas temperaturę. Inaczej mówiąc, każde miejsce we Wszechświecie było takie samo. Całą tę fazę, trwającą ok. 380 000 lat, będę określał w tej książce jako Wielki Wybuch[11].

• Terminem Wielki Wybuch nie określam hipotetycznego „punktu początkowego” (t = 0), dla którego zarezerwowałem nazwę Moment Zero.

• Ciągły spadek temperatury w trakcie Wielkiego Wybuchu sprawiał, że Wszechświat zmieniał swój stan fizyczny: powstawały nowe rodzaje pól i cząstek, zmieniały się ich proporcje, energie itd. Przejścia pomiędzy kolejnymi stanami były „skokowe”, jak przejście między lodem a wodą przy podwyższaniu temperatury.

• Na tej podstawie można wyróżnić 7 epok Wielkiego Wybuchu oraz trwającą do dziś „epokę atomów”, a więc w sumie 8 epok Wszechświata.

• Są to: (0) „epoka przed fizyką”; (I) epoka elektrosłaba; (II) epoka kwarków; (III) epoka hadronów; (IV) epoka leptonów; (V) epoka pierwotnej nukleosyntezy; (VI) epoka fotonów. Po niej następuje już (VII) „epoka atomów”, która trwa do dzisiaj, a którą określiłem wyżej też jako „fazę przemian lokalnych”.

• Określenie faza przemian lokalnych odwołuje się do faktu, że ok. 380 000 lat od Momentu Zero materia została „uwolniona”, mogła więc zacząć skupiać się grawitacyjnie: od tego momentu różne miejsca we Wszechświecie mają różną gęstość, temperaturę, skład cząsteczkowy, atomowy, chemiczny... Wszechświat rozwija się dziś lokalnie: na poszczególnych gwiazdach, planetach itd.

Wielki Wybuch (WW) często wyobrażamy sobie jako... wybuch. Bum, odgłos grzmotu, ogień. Materia fruwa we wszystkich kierunkach. To trochę nie tak.

K2.1. Jak pachnie Wielki Wybuch?

Aby wyobrazić sobie WW, najprościej zacząć od pytania, co powiedziałyby nam nasze zmysły, gdyby nas przetransportować w czasie te 13,8 miliarda lat wstecz i przeprowadzić przez poszczególne fazy wczesnego rozwoju Wszechświata (chroniąc nas jakimś sposobem przed błyskawicznym stopieniem się do postaci pojedynczych cząstek elementarnych)?

Przede wszystkim, wzrok nasz zostałby natychmiast zalany potężną dawką promieniowania. Wielka, wielka, oślepiająca jasność. Wszechświat „zrelaksował” się do tak niskiej temperatury, że ludzkie oko nie byłoby oślepione dopiero wiele tysięcy lat po „punkcie zero”. Potem robi się coraz ciemniej, aż w końcu zapada mrok; trzeba czekać jeszcze plus minus kilkadziesiąt milionów lat, zanim zapłonie pierwsza gwiazda [Loeb i in. 2008]. Dopiero w tym czasie zaczynają się więc w świecie pojawiać miejsca jaśniejsze i ciemniejsze. Tak czy inaczej WW dla ludzkiego oka to po prostu idealnie jednorodna jasność.

Węch i smak nie wykazałyby nic. Cząstki elementarne oraz wodór i hel nie smakują i nie pachną. Dotyk nie wykazałby nic. Nie było wówczas powierzchni, które można by macać, tylko jednorodna, gęsta, świetlista plazma, w której początkowo nie dałoby się brodzić, dopiero z czasem zrobiłaby się w miarę rzadka. (Dałoby się natomiast poczuć „rozluźnianie się” kosmicznego gazu, o czym za chwilę). Narząd słuchu zaś – zakładamy oczywiście, że ludzka błona bębenkowa jakoś radzi sobie z plazmą o temperaturze miliardów kelwinów – zostałby zalany przez obezwładniająco głośny, choć stopniowo słabnący, monotonny, skwierczący szum.

Jeżeli więc chcemy jakoś unaocznić sobie Wielki Wybuch, wyobraźmy sobie, że wisimy zanurzeni w gorącym białym jednorodnym mleku, że oczy nie mają w żadnym kierunku absolutnie niczego, na czym mogłyby się zatrzymać, i że słyszymy tylko głośny, jednorodny szum. Jasność stopniowo spada, szum stopniowo cichnie; w pewnym momencie przestajemy w ogóle cokolwiek widzieć i słyszeć i wisimy w – ciepłej jeszcze – czarnej kosmicznej pustce. Minął właśnie pierwszy milion lat.

A więc żadnego „bum!”.

Nie byłoby również odrzutu czy podmuchu eksplozji, ponieważ materia kosmiczna nigdzie nie leci (zob. rozdział [K1.2]), a raczej po prostu jednorodnie się rozpręża. Z punktu widzenia zanurzonego w dowolnym punkcie obserwatora Wielki Wybuch to po prostu stopniowe rozluźnianie się gazu. Gdybym wyciągnął rękę i zanurzył w tym całym gorącym mleku małą czerwoną boję, będzie ona oczywiście odsuwać się ode mnie, unoszona prądem globalnej ekspansji przestrzeni, jednak wokół mnie nie fruwałyby odłamki żadnej kosmicznej eksplozji. Ponieważ zaś w Kosmosie nie ma czerwonych bojek, obserwator widziałby po prostu rzednącą jasność, a kosmicznej ekspansji doświadczyłby tylko wtedy, gdyby wyciągnął rękę i poczuł, że rozprężające się we wszystkie strony naraz gorące kosmiczne mleko przesuwa mu się po skórze.

Dopiero po ucichnięciu szumu i pociemnieniu blasku WW zaczęłyby się dostrzegalne gołym okiem, napędzane grawitacją względne ruchy materii, o których była mowa w poprzednim rozdziale. Pierwszymi faktycznie dającymi się dostrzec obiektami byłyby pierwsze gwiazdy, które w największej skali zdawałyby się od nas oddalać (czyli – gdybyśmy mieli odpowiednio bystry wzrok – widzielibyśmy już, że bardzo odległe gwiazdy powoli od nas odpływają, tak jak przed chwilą uciekało od nas kosmiczne mleko), natomiast w skali lokalnej ruszałyby się chaotycznie, jak kule bilardowe (zob. rozdział [K5]), ale też powoli organizowały się w protogalaktyki, gromady gwiazd itp. (zob. rozdział [K4]).

 

To tyle jeśli chodzi o to, co można poznać okiem. Naukowców bardziej interesują natomiast rzeczy dostrzegalne szkiełkiem – wielkie kosmiczne przemiany, których raczej byśmy nie zauważyli, zanurzeni w WW, już choćby dlatego, że trwają one ułamki sekund. Porzucamy więc status amatora i bierzemy się za WW jak prawdziwi profesjonaliści. Czas na krótką opowieść o kwarkach, mezonach i całej reszcie.

K2.2. Osiem epok Wszechświata – wprowadzenie

Zacznijmy od nazwania ośmiu epok Kosmosu, o których będzie tu mowa[12]:


0 0 – (?) 1×10–36 s Epoka przed fizyką
I (?) 1×10-36 s – 1 ps Epoka elektrosłaba
II 1 ps – 1 μs Epoka kwarków
III 1 μs – 1 s Epoka hadronów
IV 1 s – 1 min Epoka leptonów
V 1 min – 3 min Epoka pierwotnej nukleosyntezy
VI 1 min – 380 000 lat Epoka fotonów
VII 380 000 lat – ∞ Epoka atomów/Epoka gwiazd

Aby zrozumieć o co „chodzi” w Wielkim Wybuchu od strony cząsteczkowej i dlaczego w ogóle występują różne „epoki”, potrzebne jest parę słów wyjaśnienia. Nakładają się tu dwie podstawowe sprawy. Po pierwsze, jest to wyłanianie się nowych typów cząstek elementarnych w toku czegoś, co można określić jako „ewolucję praw fizyki”. Dotyczy to w szczególności trzech fundamentalnych oddziaływań mikroskopowych (tj. zachodzących pomiędzy cząstkami i polami elementarnymi a polami) – elektromagnetycznego, jądrowego słabego i jądrowego silnego. W miarę wzrostu poziomu „energii tła” we Wszechświecie (w praktyce: ile energii przypada średnio na jedną cząstkę) zmieniają się właściwości tych oddziaływań (np. zmienia się „siła” danego oddziaływania), a nawet dochodzi do „zlania się” ze sobą dwóch oddziaływań. To wpływa również na tożsamość cząstek. Elektron czy foton są do pewnego stopnia „tym, co robią”. Aby więc zrozumieć, co w ogóle w danym momencie może istnieć, trzeba wyjść od tego, na jakim etapie ewolucji praw fizyki się znajdujemy.

Następnie pojawia się pytanie, jakie konkretnie cząstki dominują na danym etapie, tj. istotne zaczyna być łączenie się cząstek elementarnych w cząstki złożone. To też zależy od poziomu energii. Przykładowo wszystkie mezony (składające się z cząstek elementarnych o nazwie kwarki; będzie o tym mowa niżej, przy okazji omawiania epoki III) są cząstkami niestabilnymi i można je znaleźć tylko wtedy, jeśli powstają „na bieżąco”. W naszym Wszechświecie nie ma natomiast czegoś takiego, jak „zasada zachowania liczby cząstek”. Cząstki powstają i giną bez przerwy; obowiązuje natomiast zasada zachowania energii oraz znany powszechnie (E = mc2) przelicznik pomiędzy energią i masą. Oznacza to w praktyce, że gdy tylko dochodzi do oddziaływania, w którym występuje odpowiednia ilość „nadmiarowej energii”, można spodziewać się powstawania w jego toku cząstek – jednak tylko takich, na utworzenie których „wystarczy” tej energii. Stąd np. mezony powstawały masowo w tzw. „epoce hadronów” (nr III na naszej liście), ponieważ dwie przeciętne zderzające się ze sobą cząstki miały wystarczająco dużo energii kinetycznej, żeby część z niej „przeznaczyć” na utworzenie nowego mezonu. W dzisiejszym względnie chłodnym Wszechświecie mezony również powstają tu i ówdzie, jednak jest ich zdecydowanie mniej niż, na przykład, protonów, które są – bądź co bądź – stabilne. Krótko mówiąc, spadająca w trakcie Wielkiego Wybuchu temperatura prowadzi w praktyce do wyłaniania się nowych „populacji” cząstek – nawet bez żadnej fundamentalnej zmiany na poziomie praw fizyki. Przyjrzyjmy się może tym dwóm procesom nieco bliżej.

K2.3. Ewolucja praw fizyki, czyli jakie cząstki mogą istnieć?

Jako pierwsze pojawia się pytanie, jakie cząstki w ogóle mogą istnieć na danym etapie ewolucji Kosmosu ze względu na prawa fizyki; innymi słowy, jaki jest w ogóle repertuar mogących zaistnieć cząstek ze względu na fundamentalne siły i pola występujące we Wszechświecie. W XX wieku wyszło na jaw, że a) wszystkie oddziaływania we Wszechświecie można sprowadzić do czterech podstawowych odmian – oddziaływania grawitacyjnego, elektromagnetycznego, jądrowego silnego i jądrowego słabego; b) trzy ostatnie spośród tych odmian[13] przy podnoszeniu energii zaczynają się ze sobą „zlewać”. Innymi słowy te trzy fundamentalne mikroskopowe „siły” Kosmosu nie są – jak się wydaje – czymś trwałym, wiecznym i niezmiennym, jak by sobie tego życzył Newton, Maxwell i inni fizycy „epoki klasycznej”, tylko stanowią różne przejawy jednej fundamentalnej siły.

Gdy oddziaływania między cząstkami zachodzą przy coraz wyższej energii, poszczególne trzy odmiany stają się stopniowo coraz bardziej do siebie „podobne” – upodabnia się ich „siła”[14] (to, jak mocno wiążą się ze sobą cząstki), a ostatecznie również ich zasięg i to, jakich w ogóle cząstek dotyczą. Ponieważ zaś WW oglądany wstecz to w istocie proces podnoszenia energii cząstek do dowolnie wysokich wartości, to przy odpowiednio wczesnych czasach następuje „zlanie się” wszystkich trzech oddziaływań w jedną siłę. Najpierw elektromagnetyzm „łączy się” z oddziaływaniem jądrowym słabym, tworząc oddziaływanie elektrosłabe, to zaś następnie łączy się z oddziaływaniem silnym, tworząc oddziaływanie elektrojądrowe[15].

Krótko mówiąc, to, jakie występują w świecie oddziaływania fundamentalne, zmienia się z czasem[16].

To jednak nie koniec, ponieważ z samym oddziaływaniem – będącym mimo wszystko abstrakcyjnym pojęciem fizycznym – wiążą się konkretne cząstki. Istotną rzeczą, o której trzeba pamiętać, jest to, że tożsamość cząstki wyznaczana jest zaś częściowo przez oddziaływania, w których bierze udział. Elektron jest tym, czym jest, ponieważ oddziałuje w określony sposób za pośrednictwem oddziaływania elektromagnetycznego. Jeśli „zabierzemy” mu te oddziaływania, przestanie w zasadzie być elektronem. Jest to piękna ilustracja ogólniejszej zasady filozoficzno-kosmicznej, że nasza tożsamość jest w dużym stopniu – niektórzy powiedzą: całkowicie – wyznaczana przez relacje.

Kolejne akty „zlewania się” oddziaływań oznaczają więc „przetasowania” na liście dopuszczalnych cząstek elementarnych. Na Rys. K2, na którym granica I–II symbolizuje „rozdział” oddziaływania elektrosłabego na dwa osobne oddziaływania (elektromagnetyczne i jądrowe słabe), widzimy też, że wraz z tą przemianą „pojawiają się” cząstki zielone, symbolizujące leptony (wymienione imiennie na Rys. K2). To nie było tak, że nagle znikąd pojawia się chmara cząstek, a całkowita energia Kosmosu rośnie. To raczej tak, że wcześniej istniały cząstki odpowiadające dzisiejszym leptonom (np. elektronowi), tylko ze względu na to, że z braku osobnego oddziaływania elektromagnetycznego nie istniał na przykład ładunek elektryczny jako osobny parametr fizyczny. Cóż to natomiast za elektron bez ładunku elektrycznego! Podobnie – foton to cząstka, która pośredniczy w oddziaływaniach elektromagnetycznych; gdy jednak oddziaływanie to jest „częścią” ogólniejszego oddziaływania, nie istnieją również tak naprawdę fotony, lecz z grubsza do nich podobne cząstki, które jednak fotonami tak naprawdę nie są.

Przemiana I-II jest więc ostatnią z szeregu dwóch lub trzech[17] wielkich fundamentalnych przemian fizycznych[18], które doprowadziły do stopniowego wyłonienia się tożsamości, znanych nam z dzisiejszego Wszechświata, cząstek elementarnych.

K2.4. Ewolucja warunków fizycznych, czyli jakie cząstki naprawdę powstaną?

Teraz, kiedy już wiadomo, jakie cząstki elementarne mogą się pojawić, trzeba by zapytać, jakie będą faktycznie w Kosmosie występować. Nie wszystko, co może istnieć, istnieje.

Pierwsza jest kwestia stabilności. Na liście cząstek elementarnych jest sporo przypadków niestabilności. Ot choćby dwaj „grubsi” bracia elektronu, mion i taon (te trzy cząstki, razem z trzema „swoimi” neutrinami, tworzą klasę cząstek o nazwie leptony). Ten pierwszy średnio żyje 3 μs (mikrosekundy). Ten drugi – 0,3 ps (pikosekundy[19]). Od fazy III licząc, nie ma więc co spodziewać się istnienia mionów i taonów, o ile nie zostały wyprodukowane tuż przed chwilką. Kluczowa staje się więc kwestia powstawania nowych cząstek – ponieważ nawet cząstki niestabilne mogą powszechnie występować, jeśli tylko są one tworzone w odpowiednim tempie.

Druga kwestia to więc powstawanie nowych cząstek. Tutaj trzeba przede wszystkim zapamiętać jedną fundamentalną zasadę: w dowolnej chwili może powstać dowolna cząstka, o ile tylko jest dostępna odpowiednio energia i o ile spełnione zostaną zasady zachowania, czyli żadna wartość fizyczna nie weźmie się „znikąd”. Innymi słowy, nie ma we Wszechświecie zasady zachowania liczby cząstek. Ze zderzenia dwóch cząstek może wyskoczyć nawet i tysiąc innych cząstek, o ile tylko wpompujemy w te pierwsze odpowiednią dawkę energii, a te drugie będą miały sumarycznie taki sam ładunek elektryczny (i parę innych tego typu sumujących się wartości), co te pierwsze. Najprostszym sposobem na zapewnienie tego, aby po zajściu reakcji wszystkie „liczby się zgadzały”, jest wyprodukowanie pary cząstka-antycząstka, ponieważ należące do takiej pary składniki mają przeciwne wartości wszystkich istotnych parametrów, które muszą się zgodzić. Stąd typowym sposobem powstawania nowych cząstek jest produkcja par cząstka-antycząstka, np. elektron-pozyton; kwark-antykwark; hadron-antyhadron.

Skąd wziąć energię na stworzenie cząstki? Cząstka jest nośnikiem energii w dwóch podstawowych postaciach: energii spoczynkowej i energii kinetycznej[20]. Ta pierwsza to stała cecha cząstki związana po prostu z jej tożsamością. Ta druga zależy od prędkości. Najprostszym sposobem „wpompowania” energii w cząstkę jest więc po prostu jej przyspieszenie. Czyli podgrzanie ośrodka. Na pytanie, czy na danym etapie WW może powstać dana cząstka X, odpowiada się więc: tak, jeśli średnia energia kinetyczna dowolnej cząstki przy danej temperaturze jest wyższa od energii spoczynkowej cząstki X.

Wielki Wybuch to więc tak naprawdę stopniowe przechodzenie ze stanu, w którym cząstki zderzają się ze sobą nieustannie, a w chwili każdego zderzenia powstaje bukiet nowych, najprzeróżniejszych cząstek, aż po stan, w którym zderzenia są względnie rzadkie i na tyle tylko niskoenergetyczne, że nie mogą już w nich powstawać żadne nowe cząstki, tak więc zderzenie powoduje po prostu odepchnięcie się cząstek. Dla każdego momentu WW można więc wskazać zakres cząstek, które mogą typowo powstać w wyniku redystrybucji energii typowego zderzenia dwóch cząsteczek – te będą więc występować we Wszechświecie; częściej, jeśli są trwałe, rzadziej, jeśli są nietrwałe. I odwrotnie, dla każdego typu cząstki można wskazać zakres czasu, kiedy mogła być ona spontanicznie produkowana po prostu w trakcie typowych zderzeń. Przykładowo, wspomniane wyżej dwa nietrwałe leptony (mion i taon) mogą spontanicznie powstawać po prostu dlatego, że w typowej cząstce znajduje się więcej energii kinetycznej niż wynosi ich własna energia spoczynkowa, tylko mniej więcej przez pierwsze 10 sekund WW.

Ostatnia kwestia dotyczy natomiast cząstek złożonych. Zawsze, gdy dwie cząstki wiążą się ze sobą, wiązanie to ma określoną energię – nazywającą się mało kreatywnie „energią wiązania”. Można sobie obrazowo pomyśleć o tym jako o głębokości „studni”, do której wpada cząstka A, przyłączając się do cząstki B (lub na odwrót). Cząstka związana znajduje się więc na niższym poziomie energetycznym niż cząstka swobodna. Aby „wybić” cząstkę z takiej studni, wystarczy jej dostarczyć równowartość energii wiązania. Proste. Wracamy więc do kwestii energii kinetycznej i temperatury. Dla każdego typu cząstki złożonej można wskazać taką temperaturę, przy której zderzenie z typową cząstką ze środowiska dostarcza na tyle wysokiej energii, że obiekt ten rozpada się na części składowe. Ochładzający się Wszechświat przechodził więc przez szereg „progów”, kiedy to określonego typu cząstki zaczynały być stabilne. Przejście II-III, a więc przejście między epoką kwarków a epoką hadronów, miało właśnie taki charakter. Wcześniej Kosmos wypełniony był swobodnymi kwarkami, ponieważ wszystkie cząstki związane (zwane zbiorczo hadronami) – nawet jeśli powstały – były natychmiast rozbijane w trakcie następnej kolizji z inną cząstką. Przejście to, zwane hadronizacją, nastąpiło więc wtedy, kiedy średnia energia kinetyczna cząstki spadła poniżej typowej energii wiązania hadronów. Tego samego typu były też przejścia IV-V i VI-VII; więcej o tym za chwilę.

 

K2.5. Siedem epok Wszechświata

Uzbrojeni w tych kilka podstawowych narzędzi, przejdźmy teraz szybko przez naszych siedem faz historii wczesnego Kosmosu.

Faza I (epoka elektrosłaba) to pierwsza faza, o której można mówić z jako-takim poczuciem pewności. Występowały wówczas trzy fundamentalne oddziaływania: elektrosłabe, jądrowe silne oraz grawitacyjne. Powstały obficie wszystkie mogące wówczas występować cząstki elementarne, a więc kwarki i gluony oraz cząstki będące odpowiednikami dzisiejszych leptonów i bozonów pośredniczących w oddziaływaniach pomiędzy nimi, ale subtelnie innymi. Aby pokazać, że wraz z cofaniem się w czasie tożsamości cząstek elementarnych ulegają zmianie, cząstki te oznaczyłem na Rys. K2 przez białe kółka. Nikt tak naprawdę nie wie, w jaki sposób miałyby np. wyglądać cząstki jeszcze przed hipotetycznym zespoleniem się wszystkich oddziaływań w jedno – kolejny powód, aby rozpocząć tę historię na względnie dobrze zrozumiałym etapie.

Przejście I-II („złamanie symetrii elektrosłabej”) to omówione już wyżej „rozdzielenie się” oddziaływania elektrosłabego na elektromagnetyzm i oddziaływanie jądrowe słabe. Od tego momentu fizyka Wszechświata odpowiada już dzisiejszej.

Faza II (epoka kwarków) to czas, kiedy dominującym składnikiem Wszechświata były wolne kwarki, choć powstawały też oczywiście stale inne cząstki: elektrony, neutrina czy fotony. Kwarki pozostawały „wolne” z powodów omówionych wyżej – energia była po prostu wyższa od energii wiązania kwarków w cząstkach złożonych.

Przejście II-III („hadronizacja”) nastąpiło wtedy, gdy mogły zacząć powstawać hadrony. Jeszcze trochę terminologii. Hadron składający się z dwóch kwarków to mezon, a z trzech – barion. Wszystkie mezony są nietrwałe, a tylko jeden barion – proton – jest trwały bezwarunkowo (neutron jest trwały tylko wtedy, jeśli zwiąże się z protonem, tworząc jądro atomowe; swobodny neutron rozpada się średnio po niecałym kwadransie).

Faza III (epoka hadronów) to więc czas nieustannego powstawania i rozpadania się hadronów. Warto zwrócić uwagę na skalę czasową; przykładowy mezon, mezon eta widoczny na ilustracji K2, ma okres półtrwania wynoszący ok. 10-19 s. Sama epoka hadronów trwa natomiast niecałą sekundę. Choć więc mezony eta – i całe dziesiątki i setki ich nietrwałych kuzynów – stale w tym czasie powstawały, ginęły też niemal natychmiast po swoich narodzinach. Najdłużej żyjący mezon (kaon) ginie po zaledwie kilkudziesięciu nanosekundach, większość żyje znacznie krócej. Bariony (oprócz protonu i neutronu) podobnie. Gdyby więc odwiedzić epokę hadronów w dowolnie wybranym momencie i zatrzymać czas, to zaobserwowalibyśmy tylko te hadrony, które akurat tuż przed chwilką powstały i nie zdążyły jeszcze się rozpaść – byłoby to jednak morze krótkotrwałych, efemerycznych gości we Wszechświecie – oraz rosnącą populację protonów i neutronów.

Przejście III-IV nastąpiło wtedy, kiedy energia kinetyczna cząstek przestała wystarczać na tworzenie par hadron-antyhadron (zgodnie z tym, co napisałem wyżej, jest to typowy mechanizm powstawania nowych cząstek). Przy braku nowych hadronów ostały się więc tylko te, które są trwałe: a więc całkowicie[21] trwałe protony i powolutku rzednąca populacja wolnych neutronów. Ponieważ proton jest odrobinę lżejszy od neutronu, powstawał odrobinę dłużej: stąd w momencie przejście III-IV na każdy neutron przypada sześć protonów. Ponadto dopóki nie nastąpi związanie neutronów z protonami (ma to miejsce w fazie V), swobodne neutrony będą z każdą sekundą ginąć – stąd dzisiejszy stosunek liczby neutronów do protonów to 1:7.

Tak czy inaczej w związku z „upadkiem hadronów” na pierwszy plan wchodzą leptony, ponieważ te wciąż mogły jeszcze powstawać (w parach lepton-antylepton). Faza IV to więc epoka leptonów. Dodatkowym powodem, dla którego ten etap historii jest szczególnie ciepło wspominany przez leptony na całym świecie, było uwolnienie jednej z podstawowych grup leptonów – neutrin. W związku z faktem, że gaz kosmiczny zrobił się „przezroczysty” dla neutrin (wcześniej były one stale pochłanianie i emitowane, a więc średnia „trasa” przebywana przez neutrino była bardzo krótka), zaczęły one swobodnie przemierzać przestrzeń. Najprawdopodobniej istnieje przenikające cały Wszechświat kosmiczne neutrinowe promieniowanie tła, składające się z tych właśnie neutrin.

Przejście IV-VI było stopniowe: w pewnym momencie (ok. 10 s po „punkcie zero”) leptony przestały powstawać, a populacja tych, które są nietrwałe, zaczęła więc dramatycznie spadać. Ostały się tylko elektrony, ich antycząstki pozytony, oraz swobodnie wędrujące neutrina. Coraz większy odsetek energii zaczął przypadać fotonom, stąd następna faza, faza VI, określana jest jako epoka fotonów.

Jej pierwsze chwile wydziela się czasem jako osobną fazę, fazę V, kiedy to doszło do nukleosyntezy, czyli łączenia się protonów i neutronów w jądra atomowe. To wtedy część protonów (p) związała się z pozostałymi przy życiu neutronami (n), tworząc najpierw jądro o składzie pn (deuteron), czyli pierwszy krok na drodze do cięższych jąder (diproton pp jest skrajnie nietrwały, więc cóż innego robić...) – więcej na ten temat w rozdziale [K6]. Kluczowym momentem nukleosyntezy WW było więc opadnięcie temperatury kosmicznego gazu do takiej wartości, kiedy to fotony, których morze obmywało wówczas obficie wszystkie cząstki, przestały swoją energią kinetyczną rozbijać deuteron na kawałki. Z drugiej strony w coraz to niższych temperaturach coraz trudniej jest zmusić protony i neutrony, aby łączyły się ze sobą, tworząc cięższe jądra. Jest to więc wybitnie delikatna sytuacja[22], której skutkiem było powstanie w trakcie WW tylko kilku najlżejszych jąder: deuteru (pn), trytu (pnn), helu-3 (ppn), helu-4 (ppnn), litu-7 (pppnnnn) i berylu-7 (ppppnnn). Hel-4 „oferuje” protonom i neutronom najgłębszą spośród tych jąder studnię potencjału[23], a jądra trytu i berylu-7 są nietrwałe, tak więc ostateczna mieszanka – stanowiąca od tego momentu „Oficjalny Kosmiczny Gaz” – ma skład następujący [Steigman 2007]:

• jądra wodoru-1 (czyli po prostu samotne protony): ok. 74–75% masy,

• jądra helu-4: ok. 24–25% masy,

• reszta (głównie: deuter, hel-3, lit-7): <1% masy.

To ten ośrodek pójdzie ostatecznie w świat; to z niego powstawać będą gwiazdy i galaktyki. Jest to więc mimo wszystko prosta mieszanka: ot, większość to pojedyncze protony (73% masy przekłada się na 92% ilościowo, tj. w mieszaninie takiej losowo wybrane jądro będzie w 9 przypadkach na 10 protonem). Reszta to niemal wyłącznie jądra helu-4, w których na tym etapie siedzą, nawiasem mówiąc, niemal wszystkie istniejące w Kosmosie neutrony.

Wróćmy jednak do WW. Na razie trwa epoka fotonów. Nukleosynteza kończy się ok. kwadrans po „momencie zero”. Ostatnie zdarzenie na naszej drodze wyjścia z pierwotnego mleka to przejście VI-VII („rekombinacja”), kiedy to fotony i elektrony złączyły się ze sobą, tworząc atomy.