Wielki Wybuch

Około 14 miliardów lat temu w Wielkim Wybuchu narodził się Wszechświat. W pierwotnej zupie cząstek elementarnych, która wypełniała Wszechświat zaraz po jego narodzinach, znajdowały się również neutrina i anty-neutrina. Po upływie około jednej sekundy od Wielkiego Początku neutrina przestały praktycznie oddziaływać z pozostałymi cząstkami zupy. Gdyby dziś udało się naukowcom wykryć owe, tzw. reliktowe neutrina, odtworzony zostałby obraz młodego Wszechświata, mającego wiek zaledwie jednej sekundy. Niestety neutrina pochodzące z tego wczesnego okresu mają dziś bardzo małe energie i w stosunku do neutrin słonecznych jest ich bardzo mało. Póki co nie udało się ich wykryć.


Fizycy wierzą, że Świat jaki znamy rozpoczął się tzw. Wielkim Wybuchem, który miał miejsce około 14 miliardów lat temu. W chwili Wielkiego Wybuchu cały Wszechświat stłoczony był w jednym punkcie mającym nieskończoną gęstość i temperaturę. Tak naprawdę fizycy nie potrafią wciąż opisać momentu narodzin - wszystkie znane prawa natury załamują się, gdy zbliżamy się do owego początkowego momentu, a pojęcia czasu i przestrzeni tracą swój sens. Fizycy nauczyli się jednak opisywać ewolucję Wszechświata od chwili tuż po Wielkim Wybuchu, aż do chwili obecnej. Obraz owej ewolucji, nazywanej teorią rozszerzającego się Wszechświata, wciąż nie jest do końca sprecyzowany, jednak jego podstawy wydają się dość dobrze zrozumiane. Cofnijmy się więc do chwili tuż po Wielkim Wybuchu...

Wielki Wybuch

Tuż po narodzinach Wszechświata, gdy jego wiek liczony był w ułamkach ułamków sekundy (10-10 sekundy po początku), cała dostępna wówczas przestrzeń wypełniona była "zupą" cząstek elementarnych. Znajdowały się w niej zarówno kwarki, elektrony, miony, taony, neutrina, jak i cząstki przenoszące oddziaływania, tzn. fotony, gluony i bozony pośredniczące. Temperatura owej "zupy" była liczona w milionach miliardów stopni. W miarę jak Wszechświat się rozszerzał, jego temperatura malała. Gdy spadła poniżej tysiąca miliardów stopni, a wiek Wszechświata przekroczył 10-6 sekundy, kwarki znajdujące się w pierwotnej "zupie" zaczęły łączyć się ze sobą dając neutrony oraz protony. Przez pewien okres istniała równowaga pomiędzy oboma typami cząstek. Neutrony mogły rozpadać się na protony dzięki przemianom beta, protony zaś oddziałując z ogromną ilością neutrin zawartych w "zupie" zamieniały się w odwrotnej przemianie beta w neutrony. Jednak po pewnym czasie, w miarę rozszerzanie się Wszechświata, gęstość materii staje się na tyle niewielka, że neutrina przestają tak często z nią oddziaływać. Po upływie jednej sekundy od Wielkiego Wybuchu oddziaływania neutrin z protonami praktycznie przestają zachodzić. Jednak rozpady neutronów, które w postaci swobodnej są cząstkami nietrwałymi, nadal zachodzą. Gdyby proces ten zachodził w sposób nieograniczony, to po kilkudziesięciu minutach od Narodzin, we Wszechświecie pozostałyby jedynie protony, wszystkie neutrony uległyby rozpadowi. Tak się jednak nie stało. W około 2 minuty po Wielkim Wybuchu, Wszechświat osiągnął wystarczająco niską temperaturę, pozwalającą na łączenie się neutronów z protonami. Zaczął zachodzić proces tzw. pierwotnej nukleosyntezy. Skutkiem jej była produkcja jąder deuteru, helu oraz pewnej ilości jąder litu. Jądra te zawierają w swoich wnętrzach zarówno protony, jak i neutrony. Neutrony uwięzione wewnątrz jąder mogą i bardzo często stają się obiektami stabilnymi. Tak jest w przypadku wymienionych powyżej jąder. Nukleosynteza zapobiegła więc zanikowi z pierwotnego Wszechświata neutronów.

Historia Wszechświata

Po niespełna pięciu minutach od Wielkiego Wybuchu temperatura spada poniżej wymaganej przy syntetyzowaniu jąder. Nukleosynteza się zatrzymuje. W tym momencie Wszechświat wypełniony jest jądrami lekkich atomów (wodoru, helu i litu), swobodnymi elektronami, fotonami oraz neutrinami, które nie oddziałują praktycznie z pozostałymi składnikami rozszerzającego się Wszechświata. Elektrony i jądra atomowe obdarzone są przeciwnymi ładunkami. Przyciągają się więc elektrycznie i od czasu do czasu powstają atomy (związane układy jąder z elektronami). Gęstość energii niesionej przez fotony jest jednak w tym stadium życia Wszechświata bardzo duża, tak duża, że chwilę po powstaniu atomów, elektrony są z nich powtórnie wybijane przez fotony. Musi upłynąć jeszcze 300 tysięcy lat, aby temperatura Wszechświata obniżyła się na tyle, że fotony w nim zawarte nie będą w stanie rozbijać tworzących się atomów. O momencie tym mówi się, że Wszechświat stał się przezroczysty dla fotonów. Fotony owego pierwotnego Wszechświata wciąż znajdują się w przestrzeni kosmicznej i stanowią niejako "fotografię" chwili, gdy Wszechświat stał się dla nich przezroczysty. Niestety nie powiedzą nam one nic o tym, jak zachowywał się Świat przed osiągnięciem wieku 300 tysięcy lat. Wcześniej bowiem fotony te bardzo często oddziaływały z materią - rozbijając formujące się atomy, tracąc w takich oddziaływaniach wszelką niesioną przez siebie informację. Fotony, które "odprzęgły" się od materii 300 tysięcy lat po Początku, stygły przez następne 14 miliardów lat. Dzisiaj promieniowanie, które wypełnia cały Wszechświat, i które jest tworzone przez owe fotony, ma temperaturę około 2,7 stopnia powyżej zera bezwzględnego. Promieniowanie to nazywa się promieniowaniem reliktowym, a jego odkrycie dokonane w 1965 roku przez Arno Penziasa i Roberta Wilsona stało się jednym z najważniejszych dowodów na słuszność modelu Wielkiego Wybuchu.

Historia Wszechświata

Po uformowaniu się atomów Wszechświat wszedł w epokę rządzoną przez siły grawitacyjne. Przyciąganie grawitacyjne sprawiało, że niejednorodności rozkładu materii, które powstały w okresie wcześniejszym, akumulowały coraz większą ilość materii. Wkrótce wewnątrz tych niejednorodności zapłonęły pierwsze gwiazdy.

Obraz wczesnego Wszechświata

Wróćmy jeszcze do neutrin, które powstały we wczesnych etapach ewolucji Wszechświata. Powiedzieliśmy, że w okresie wcześniejszym niż jedna sekunda po Wielkim Wybuchu, neutrina te wchodziły w reakcje z protonami, powodując ich odwrotne rozpady beta. Jednak po upływie około jednej sekundy, gęstość materii wypełniającej Wszechświat spadła na tyle, że oddziaływanie z nią neutrin stało się bardzo rzadkie. Moment ten nazywany jest momentem, w którym Wszechświat stał się przezroczysty dla pierwotnych neutrin. Widać tutaj wyraźną analogię z "odprzęgnięciem" się fotonów reliktowych od materii. Jednakże odprzęgnięcie się neutrin nastąpiło nie po 300 tysiącach lat, ale po jednej sekundzie od chwili początkowej! Neutrina reliktowe wciąż pozostają we Wszechświecie, wypełniając każdy jego zakątek. Szacuje się, że w jednym centymetrze przestrzeni znajduje się 300-600 owych neutrin. Niestety póki co fizykom nie udało się owych cząstek zaobserwować eksperymentalnie. Jest to bardzo trudne, zważywszy na ich stosunkowo niewielką liczbę (w porównaniu z np. neutrinami słonecznymi) oraz bardzo małą energię (również neutrina reliktowe, podobnie jak fotony reliktowe przez 14 miliardów lat, jakie upłynęły od Wielkiego Wybuchu, stygły). Jeśli jednak kiedykolwiek uda się je wykryć i zbadać, fizycy dostaną "zdjęcie" Wszechświata wykonane zaledwie 1 sekundę od Wielkiego Wybuchu.