Kvantinė fizika: Didysis sprogimas

Daugelį metų manyta, kad visata egzistavo amžinai ir kad yra nekintanti, net tokie garsūs mokslininkai kaip Einšteinas manė, kad visata statiška, tačiau kaip dabar daugelis žino ji netokia. Mokslininkas Hublas pastebėjo, kad kiekvienas dangaus kūnas tolsta nuo bet kurio kito (tiksliau 99/100 kūnų. Yra atvejų, kai galaktikos artėja viena prie kitos pvz: Paukščių takas ir Andromeda). Remiantis tuo jis padarė stulbinantį atradimą – išsiaiškino, kad visata plečiasi. Maža to, jam pavyko įrodyti, kad visatos plėtimasis greitėja.

Atsiradus krūvai naujų faktų mokslininkai pradėjo kurti įvairias teorijas. Pirmiausia žinoma jie logiškai suprato, kad jei keliausime laiku atgal, visata trauksis iki ypač tankaus ir mažo taško, vadinamo singuliariumu (jo dydis 10^-27m.). Taip gimė didžiojio sprogimo teorija (angl. The Big Bang Theory). Ji teigia, kad visa mums žinoma visata per akimirksnį atsirado tam begalinio tankio taškeliui „sprogus“ ir pradėjus plėstis erdvei (prieš didįjį sprogimą nebuvo nei erdvės, nei laiko). Turiu paminėti, kad yra hipotezių aiškinančių kas buvo prieš didįjį sprogimą, tačiau jas nagrinėsime vėlesniuose straipsniuose.

Dabar išsamiau papasakosiu apie visatos raidą po didžiojo sprogimo:

0. Prieš didįjį sprogimą

1. Begalinio tankio singuliarumo taškas staigiai pradeda plėstis. Išsiplėčia trys erdvės matmenys ir laikas („pradeda eiti“). Į erdvę „išspjaunama“ materija ir antimaterija (lygiomis dalimis).

2. 10^-43 sekundės. Planko era. Anksčiau šią erą apibūdindavo sakinys „Nežinomi, egzotiški fizikos dėsniai“. Tačiau po dabartinių pasiekimų fizikos srityje mokslininkai po truputį gvildena netgi įvykius prieš didįjį sprogimą. Naujausios teorijos numato, kad erdvėlaikis šioje eroje buvo itin nestabilus (vyravo kvantinės oskiliacijos), visata buvo be galo karšta, dalelės turėjo tiek energijos, kad visos sąveikavo kaip bangos (žr. Dvigubo plyšio ekspermentas), sudarydamos visatos dydžio kvantinę sistemą. Tuo metu egzistavo labai sunkios super-dalelės, ir visos sąveikos buvo susijungusios į vieną (išsamiau šiuos reiškinius nagrinėsime vėliau).

3. 10^-34s Kvarkų Epocha. Vieningoji sąveika skyla į gravitacinę, stipriąją ir elektro-silpnąją (angl. electroweak), elektromagnetinė ir silpnoji sąveika vis dar susivienijusios nes dar yra pakankamai energijos šiam ryšiui palaikyti. Nors visata truputį atvėsta, bet ji vistiek per karšta stabiliai atskirai materijai, todėl dabar joje gyvuoja kvarkų-gluonų plazma (žr. Agregatinės būsenos). Vykstant anihiliacijai ir susikūrimui (Priešingas anihiliacijai procesas, kurio metu anihiliavus dalelėms išsiskyrę didelės energijos fotonai ar kiti bozonai virsta materijos dalelėmis) „kova“ tarp antimaterijos ir materijos pakrypsta į materijos pusę. Ilgą laiką tai buvo didžiulė visatos myslė, nes po didžiojo sprogimo susikūrė vienodi kiekiai materijos ir antimaterijos todėl visa materija turėjo sureaguoti su antimaterija ir liktų tik energija. Tačiau visai neseniai mokslininkai išsiaiškino, kad tai C ir P simetrijos pažeidimo padarinys (angl. CP violation) dėl kurio tam tikrose reakcijose materija reagavo ne visiškai taip kaip antimaterija.

4. 10^-10s. Leptonų Epocha. Visata pakankamai atvėsta, atsiskiria visos 4 sąveikos. Kvarkai pradeda formuoti leptonus (taigi ir nukleonus). Visatoje nebelieka antimaterijos (svarbu paminėti, kad liko tik 1% materijos išsiskyrusios po didžiojo sprogimo. Visa kita sureagavo su antimaterija ir išnyko).

5. 10^2s. Fotonų Eepocha. Taigi mūsų visata jau 2 min. amžiaus. Visatos temperatūra 10^9 laipsnių ir pagaliau susiformuoja atomai. Vadinasi baigiasi visatos Banginis (arba radiacinis) etapas ir pradeda vyrauti materijos etapas (dalelės stabilizuojasi).

6. 10^13s. Visata ir toliau vėsta bei plečiasi (nors ir ne taip staigiai kaip pradžioje – baigėsi visatos infliacija). Svarbiausias įvykis šiuo laikotarpiu – visatos praskaidrėjimas. Pagaliau elektromagnetiniai plazmos debesys susikondensuoja.

7. Milijardas metų. visata kupina įvairiausių elementų (turbūt surinktumėme visą Mendelejevo lentelę :)). Sunkūs elementai kaupiasi į sankaupas, kurių viduryje nuo trinties kaista. Susidaro progalaktikos ir saulės sistemos.

8. 5 milijardai metų. Formuojasi pirmosios juodosios skylės ir supernovos (kai kurios žvaigždės jau paseno).

9. 13,6 milijardo metų (2009 Vasario 19 20.10) Pilnai susiformavusioje Saulės sistemoje, Paukščių tako galaktikoje, Žemėje prie kompiuterio sėdi homo sapiens ir rašo straipsnį apie visatą 🙂 (Autoriaus pastaba: pirmieji 3 visatos formavimosi etapai buvo įdomesni). Visata vis dar plečiasi, plėtimasis greitėja, bet nieko ytin svarbaus nevyksta (nors kažkur ženevoje didieji žmonijos protai tuoj bandys atkurti 2 ir 3 vystymosi etapus :)).

Didysis sprogimas buvo įrodytas 1964, kai atstiktinai vos įjungus naują didžiulę radio anteną buvo sugauti keisti trigdžius primenantys signalai (pirma manyta, kad kaltos balandžių išmatos antenos lėkštėje). Vėliau suprasta, kad girdima foninė mikrobangų spinduliuotė. Mus pasiekiantys senosios visatos atgarsiai (tiksliau fotonų eroje susikūrusi radiacija). Kiekvienas iš mūsų net nežinodamas tapo šio monumentalaus ir didingo reiškinio liudininkais. Įjungus televizoriuje nepasirinktą kanalą visas ekranas pilnas juodų ir baltų taškelių (na kaip sakoma burzgia), jei ne FMS ekranas būtų tiesiog juodas (nebent kelios linijos susidarytų dėl mobiliųjų telefonų ar kitų bangas skleidžiančių aparatų).