Nastanak i evolucija kosmosa

Apr 19, 2014 by

wide3

Hablovo “Duboko polje” – jedna od najpoznatijih fotografija kosmosa

Kosmos, naše okruženje, sve ono što vidimo i za šta znamo da postoji deo je tog ogromnog prostora koji nazivamo kosmosom, sve planete, sve galaksije, sve zvezde, komete, asteroidi….
Priča o kosmosu je priča o čudesnom plesu čestica. Verovatno se pitate kako je moguće da ovoliki kosmos, a verujte mi – jeste velik, može da nastane iz čiste energije, tek tako? Neki od vas će verovatno pomisliti da lupam gluposti i da je tako nešto naprosto nemoguće. Ali, pre no što date svoj sud pročitajte tekst do kraja. Dakle, kako je nastao kosmos?
Da bismo mogli da ogovorimo na ovo pitanje potrebno je da znamo glavnu razliku između klasične i moderne fizike. Ova razlika ogleda se u tome da je klasična fizika koncipirana tako da u njoj sve ima smisla dok isto to ne možemo da kažemo za modernu fiziku. Ovo vam izgleda čudno? Zamislite onda mnoštvo čestica koje nastaju, nestaju, sudaraju se stvarajući nove čestice, anihiliraju, usporavaju, grupišu…. Sve ove stvari događale su se u početku nastanka našeg kosmosa, a da bismo mogli valjano da ih objasnimo i razumemo moramo da zaboravimo na svakodnevno iskustvo i logiku i da zavirimo u čarobni svet jedne od najčuvenijih jednačina u fizici. Pogađate, radi se o E=mc^2. Ovom jednačinom možemo da objasnimo naš kosmos od današnjice pa sve do njegovog početka.
Recimo da možemo da preživimo fotone gama-zračenja čija je energija 200,000 puta veća od energije fotona vidljive svetlosti i bićemo u prilici da posmatramo parove elektrona od kojih je jedan sačinjen od materije a drugi od antimaterije koji će se međusobno anihilirati ponovo stvarajući fotone gama-zračenja. Podignemo li energiju oko 2,000 puta, i uspemo da je preživimo, dobićemo fotone sa dovoljno energije da stvore neutrone, protone i njihove antimaterijske parnjake, sve s masom gotovo 2,000 puta većom od mase elektrona. Ovo dodavanje energije i pretvaranje čestica jednih u druge je izuzetno značajno za nastanak našeg kosmosa jer je upravo ono omogućilo da sve što vidimo i što nas okružuje bude tu gde je sada. Potrebno je naglasiti da su za stvaranje kosmosa onakvim kakvim ga znamo i u kakvom obitavamo potrebne dve stvari: gama zračenje i visoka temperatura (iznad nekoliko milijardi stepeni), oni su “krivci” zbog kojih je preko E=mc^2 moguće pretvaranje čestica iz jednih u druge. Ovo znači da je kosmos prilikom svog nastanka, pre oko 14 milijardi godina, bio ispunjen gama zračenjem i visokom temperaturom. U ovakvoj vreloj sredini četiri osnovne prirodne sile bile su sjedinjene u jednu a sem fotona visoke energije i parova čestica i antičestica koje su spontano nastajale kroz proces poznat kao kvantne fluktuacije, i nestajale potirući se i vraćajući se kao fotoni gama-zračenja, nije postajalo ništa drugo. Ne biste voleli da živite u takvom svemiru, zar ne? Imate sreće – ne morate.

Plankova era koja je trajala 10^-43 sekunde nakon početka smatra se početkom “Ere Velikog praska” iz jednog jednostavnog razloga –  nemoćni smo da saznamo šta se dogodilo pre nje, sve naše jednačine, sva predviđanja jednostavno ne mogu da opišu stanje kosmosa pre Plankove ere, čak nismo sasvim sigurni ni šta se događalo tokom nje. U ovoj eri posmatrač koji bi se nalazio u kosmosu ili izvan njega ne bi bio u stanju da vidi dalje od 3×10^-35 metara s obzirom da je kosmos bio upravo toliki i da informacije ne mogu da putuju brže od 3×10^8 (kolika je brzina svetlosti). Nemački fizičar Maks Plank je do ovog nezamislivo malog rastojanja i vremena došao kvantifikovanjem energije 1900. godine zbog čega se i smatra rodonačelnikom kvantne mehanike. No, da se vratimo našem malom, vrelom i živahnom kosmosu i kažemo da je za objašnjenje Plankove ere bilo neophodno spojiti kvantnu mehaniku i gravitaciju. Na žalost nama je još uvek nepoznato na koji način se ovaj spoj dogodio ali smo poprilično sigurni da ga je bilo jer nijedan poznat zakon fizike ne opisuje pouzdano šta se događalo sa kosmosom tokom Plankove ere pre nego što je njegovo širenje omogućilo velikom i malom da se srećno (naročito po fizičare) radzvoje. Kraj Plankove ere obeležilo je odvajanje gravitacije iz objedinjene sile. Kako je kosmos postajao stariji od 10^-35 sekundi sve se brže širio i hladio. Ovaj period kosmosa takođe je obeležilo i razdvajanje elektroslabe i jake nuklearne sile. Još kasnije u životu kosmosa elektroslaba sila razdvojila se na elektromagnentnu i slabu nuklearnu silu. Najzad, nastale su četiri nama poznate sile od kojih slaba nuklearna sila upravlja radioaktivnim raspadanjem, jaka sila drži na okupu čestice u jezgru atoma, elektromagnetna drži na okupu atome u molekulima a gravitacija drži na okupu veće količine materije.

Epohe u stvaranju kosmosa:

Plankova era (od 10^-43 sekunde do 10^-37 sekundi) – Doba “ujedinjavanja” u kome su sve 4 osnovne sile bile spojene u jednu supersilu.

heic0805c

Epoha širenja (od 10^-37 sekundi do 10^-35 sekundi) – Doba u kome se svemir širio i hladio velikom brzinom.

Epoha velikog ujedinjenja (od 10^-35 sekundi do 10^-12 sekundi) – Doba u kome se iz supersile izdvajaju gravitacija, jaka nuklearna sila i elektroslaba sila.

Epoha elektroslabe sile (od 10^-12 sekundi do 10^-6 sekundi) – Doba kada se elektroslaba sila razdvaja na slabu nuklearnu silu i elektromagnetnu silu.

Epoha hadrona (od 10^-6 sekundi do 1 sekunde) – Doba u kome su se kvakrkovi spajali formirajući hadrone

Epoha leptona (od 1 sekunde do 3 minuta) – Doba u kome su se elektroni i pozitroni međusobno poništavali stvarajući uslove za sintezu atoma.

Epoha sinteze atoma (od 3 minuta do 380,000 godina) – Doba u kome su novonastala jezgra “hvatala” slobodne elektrone stvarajući tako atome.

Šta se sve dešavalo na početku?

            Tokom proticanja prvog bilionitog dela sekunde već je došlo do sadejstva materije i energije. Pre, posle i tokom razdvajanja jake i elektroslabe sile kosmos je bio ispunjen kvarkovima, leptonima i njihovim antimaterijskim parnjacima, uz bozone koji su omogućavali sadejstvo između njih. Sve ove čestice predstavljaju najmanje moguće konstituente materije i nemoguće ih je podeliti na još manje, bar koliko znamo. U vreme ere kvarkova i leptona u tom prvom bilionitom delu sekunde kosmosa njegova gustina bila je toliko velika da se prosečna razdaljina između nepovezanih kvarkova nije razlikovala od one između povezanih. U takvim uslovima kvarkovi su se slobodno kretali. Kombinacija posmatračkih nalaza i teorije sugeriše da se u neko doba stvaranja kosmosa, možda prilikom razdvajanja neke od sila, pojavila asimetrija pri kojoj je materija odnela prevagu nad antimaterijom što je značilo da je otprilike na svakih milijardu čestica materije i antimaterije koje su se muđusobno potirale stvarajući fotone, preostajala jedna čestica materije koja nije imala odgovarajuću česticu antimaterije sa kojom bi se potrla. Ipak, proces formiranja današnje materije se nije tu završavao. Kosmos, sada star milioniti deo sekunde raširio se dovoljno da njegova energija i temperatura više nisu bile dovoljne da kuvaju kvarkove, to jest da oni ostanu slobodni. Ovo je kao rezultat imalo spajanje parova kvarkova u nove, teške čestice – hadrone. Stvaranje hadrona brzo je dovelo do nastanka protona i neutrona kao i drugih daleko manje poznatih teških čestica koje se takođe sastoje od različitih kombinacija kvarkova. Ova mala razlika u količini materije i antimaterije u supi kvakrova i leptona dovela je do izuzetnih posledica i kada su u pitanju hadroni. Sa nastavkom hlađenja kosmosa energija za postojano nastajanje novih čestica je opadala. U eri hadrona fotoni više nisu imali dovoljno energije da putem E=mc^2 prave parove kvarkova i antikvarkova. Fotoni koji su preostali iz prethodnih potiranja materije i antimaterije su nastavili da gube energiju širenjem kosmosa, sve dok energija fotona nije pala ispod granice koja je potrebna za stvaranje parova hadrona i antihadrona. U ovo doba na svakih milijardu potiranja ostavljalo je za sobom milijardu fotona dok je istovremeno zbog asimetrije između materije i antimaterije opstajao samo jedan hadron. Ovi preostali hadroni biće odgovorni za stvaranje galaksija, zvezda, planeta i svega ostalog u današnjem kosmosu uključujući i nas. Da nije postojala ova neravnoteža u odnosu materije i antimaterije danas bi kosmos bio sastavljen samo od fotona (i tamne materije čija nam je priroda još uvek nepoznata) i bio bi prilično nezanimljivo mesto sastavljeno isključivo od svetlosti. Ali, protekla je prva sekunda od nastanka kosmosa!

Početkom druge sekunde u životu kosmosa kosmos je imao temperaturu od približno milijardu kelvina i bio sposoban da kuva elektrone koji su se sa svojim antimaterijskim parnjacima, pozitronima, i dalje spontano nastajali i nestajali. Daljim širenjem kosmosa i ova igra elektrona i pozitrona se zaustavlja, ono što se u prvoj sekundi dogodilo sa hadronima sada se događa sa elektronima i pozitronima, potrli su se međusobno a samo je jedan elektron opstajao na milijardu potrtih parova elektrona i pozitrona. Pošto se međusobno potiranje elektrona i pozitrona završilo na svaki proton dolazio je po jedan elektron. Kada je temperatura kosmosa pala ispod 100 milijardi stepeni protoni su se počeli spajati sa drugim protonima i neutronima obrazujući atomska jezgra od kojih je 90% otpadalo na vodonik, manje od 10% na helijum a ostatak na jezgra deuterijuma, tricijuma i litijuma. Spajanje protona se elektronima, drugim protonima i neutronima označilo je drugu sekundu od nastanka kosmosa.
Nakon te prve dve sekunde u kojima su se odigrale najznačajnije stvari bez kojih ne bi bilo moguće formiranje nebeskih tela sa kosmosom se ništa vredno pomena nije dogodilo u narednih 380,000 godina tokom kojih je kosmos još uvek bio dovoljno topao da su postojali elektroni koji su se slobodno kretali među fotonima.

Elektroni su izgubili tu slobodu kretanja onog trenutka kada se temperatura kosmosa spustila ispod 3000 kelvina. Tada su preostali slobodni elektroni bivali zarobljeni od strane protona obrazujući atome. Spajanjem elektrona i jezgara novonastali atomi su se našli usred fotona vidljive svetlosti što je stavilo tačku na priču o nastanku čestica u mladom kosmosu. Ipak, širenje kosmosa se nije zaustavilo, što se on više širio energija fotona je bivala sve manja pa se čak i danas uočavaju mikrotalasni fotoni na temperaturi od 2,75 kelvina. Pre no što je temperatura kosmosa opala ispod 3000 kelvina fotoni su imali dovoljno energije da razbiju atom prilikom sudara sa njim. Ako biste u to vreme posmatrali kosmos jedino što biste mogli da vidite je neprozirna svetleća izmaglica. Sa padom temperature ispod 3000 kelvina elektroni više nisu bili slobodni već zarobljeni u jezgrima atoma. Fotoni tada više nisu imali dovoljno energije za razbijanje atoma i mogli su slobodno da se kreću bez velike verovatnoće da će udariti u elektrone. Sa daljim protokom vremena, čitavih milijardu godina od svog nastanka, kosmos je najzad postao proziran otkrivajući prve galaksije i zvezde koje se mogu smatrati “roditeljima” većini onih koje danas imamo priliku da posmatramo kroz teleskope.

Kosmičko pozadinsko zračenje

U ovoj priči o nastanku kosmosa moram da pomenem i priču o otkriću KPZ-a (kosmičkog pozadinskog zračenja) ili, drugačije rečeno, ostataka fotona iz doba nastanka kosmosa.

Početkom šezdesetih godina fizičari su znali za mikrotalase ali je ipak skoro niko nije bio u stanju da detektuje talase iz mikrotalasnog spektra. Sva bežična komunikacija toga vremena oslanjala se na radio-talase koji imaju znatno veću talasnu dužinu od mikrotalasa. Za njih su naučnicima bile potrebne osetljive antene i detektor kraćih talasnih dužina. Jedna takva antena postojala je u Bel labu, ona je bila ogromnih razmera i u to vreme joj nije bilo ravne u hvatanju mikrotalasa.
Dvojica radioastronoma Bel laba, Arno Penzijas i Robert Vilson pokušavali su da otvore novi komunikacioni kanal za Bel lab i želeli su, između ostalog, da ustanove u kojoj meri će signali biti ometeni pozadinskom interferencijom. Da bi to uradili preduzeli su jedno standardno, važno i bezazleno merenje sa svrhom da ustanove koliko se lako mogu uhvatiti mikrotalasni signali. Iako su bili astronomi oni nisu ništa znali o predviđanjima KPZ-a od strane Gamova, Hermana i Alfera. Prilikom pokušaja izvođenja merenja šum za koji nisu mogli da utvrde poreklo ometao je njihove signale u tolikoj meri da su rezultati koje su dobili bili neupotrebljivi. Izgledalo je da taj misteriozni šum dopire iz svih pravaca na obzorju i da se ne menja tokom vremena i godišnjih doba. Pomislivši da nešto sa njihovom antenom nije u redu zavirili su u nju  primetivši da su u njenoj unutrašnjosti golubovi svili gnezda i prekrili je svojim izmetom. Penzijas i Vilson su zaključili da bi golubiji izmet mogao da bude uzrok šuma koji ih je ometao pa su očistili antenu i ponovili eksperiment. Na njihovo iznenađenje sporni šum jeste malo opao ali je i dalje bio prisutan. Punih godinu dana ova dva radioastronoma bezuspešno su pokušavala da otklone šum, što ih je na kraju nateralo da pozovu Roberta Dijaka sa obližnjeg univerziteta Prinston moleći ga da im pomogne u rešavanju problema. Ono što takođe nisu znali jeste da je Dijak bio vođa tima koji je, uporedo sa njihovim pokušajima da otklone šum, radio na pravljenju detektora upravo tog šuma kojeg su oni pokušavali da se reše. Ubrzo nakon njihovog poziva Dijaku u Astrofizičkom žurnalu objavljenja su  (1965. godine)  dva rada,  jedan od njih je potpisao pomenuti dvojac u kome je bilo opisano njihovo iskustvo sa KPZ-om, dok je drugi potpisao Dijak objašnjavajući pravu prirodu šuma koji je tako dugo mučio Penzijasa i Vilsona. Kosmičko pozadinsko zračenje, sasvim slučajno otkriveno,  bilo je najveća potvrda Teorije velikog praska nasuprot teorijama koje su zagovarale tezu da je svemir oduvek bio isti i da se nije menjao tokom vremena.

Social Comments

Related Posts

Tags

Share This

Leave a Reply