Spousta střípků z veliké vesmírné mozaiky dnes již byla objevena a pojmenována. Existence a podíl lehkých prvků, reliktní záření, kosmická expanze a jiné jevy jsou dobře prozkoumaná fakta, s jejichž pomocí můžeme nahlédnout i do vzdálené minulosti, do pomyslné kuchyně, ve které vznikla dnešní struktura vesmíru.
Všechno, čemu dnes říkáme vesmír, vzniklo velkým třeskem před 13,7 miliardami let. Z počátečního extremního stavu hmoty postupem času vykondenzovaly částice hmoty. Její strukturu formuje především gravitace, nejslabší a přesto nejvýkonnější ze všech ve vesmíru působících sil. Gravitaci narozdíl od elektromagnetické síly, nelze odstínit. Narozdíl od slabé a silné jaderné síly působí do velkých vzdáleností. Gravitaci nelze uniknout nebo ji vykompenzovat. Dříve nebo později vtiskne gravitace svou pečeť každé hmotě. Akce i reakce, hry hmoty, záření a gravitace - se řídí fyzikálními zákony. Nic v nich nedává předpoklad k domněnkám o zásahu "vyšší moci", nebo nějakého vyššího nadřazeného vědomí. Pojďme se nejprve podívat na procesy, které doprovázely vznik hmoty.
Vývoj vesmíru začal tzv. „planckovou“ érou, pojmenovanou podle německého fyzika Plancka, který se zasloužil o objev kvantování (balíčkování) energie. Na jeho počest dodnes tímto jménem nazýváme nejmenší možné smysluplné části hmoty, "balíčky" prostoru, času a energie. Název planckova éra prozradí, že se jednalo o stav, který byl menší, hustší a teplejší než všechno, co umí věda smysluplně popsat a poznat. Planckova éra je definována planckovým časem (10-43 s) a planckovou teplotou (10+32stupňů K), což odpovídá 10+19 GeV. Naše fyzika se na tento stav nedá aplikovat, proto neexistuje ani žádná teorie, která by popisoval stav vesmíru v tomto bodě vývoje.
Všechny čtyři síly, které dnes pozorujeme ve vesmíru byly v planckově éře ještě nerozlučně spojené a nedaly se odlišit jedna od druhé. Sílu, která ve vesmíru v té době působila, nazývají vědci jednoduše „prasíla“.
Planckovu éru následovala při teplotě zhruba 10+22 Kelvinu a čase 10-23 s kvarková éra. Tehdejší hmotu vesmíru vědci nazývají kvarkově-gluonové plasma.
Vesmír tehdy sestával z částic, které zkondenzovaly z původní planckovy „pěny“ – kvarků (stavebních kamenů hmoty) a jejich antičástic. Kromě nich existovaly ještě i leptony (elektrony a neutrina), tyto částice ale nebyly díky vysoké teplotě stabilní. Vznikaly ze záření a následně se zase rozpadaly. Dalším komponentem vesmíru byly gluony – částice, které zprostředkovávají silnou jadernou interakci. Tato nejsilnější ze všech sil působí jen na extrémně krátké vzdálenosti (do 10-15m) - prakticky jen uvnitř jádra atomu. Gluony hrají při tvorbě hmoty roli „lepidla“, které pojí dohromady kvarky do podoby elementární částice.
V roce 2000 se podařilo vytvořit kvark-gluonové plasma v jednom z experimentů CERNu - a tím i potvrdit teorii, která ho předpokládala a předpověděla.
Po dosažení teploty 10+16 K (přibližně v čase 10-12 s) se odštěpila další základní síla, panující ve vesmíru – slabá jaderná interakce a elektromagnetismus.
Kvarkovou éru vystřídala hadronová éra, když se díky postupného ochlazování vesmíru (10-6 s a 10+13 K) začaly volné kvarky spojovat a kondenzovat - a začaly vytvářet částice, kterým říkáme hadrony. ("Hadrony" se říká všeobecně částicím, které se skládají z kvarků. Dále se dají dělit podle množství kvarků, které obsahují. Mesony se skládají z kvarku a antikvarku, baryony – například proton a neutron – jsou složeny ze tří kvarků.)
Původně vzniklá těžká hadronová jádra budou s postupujícím rozpínáním a ochlazováním vesmíru ubývat, a budou nahrazena protony a neutrony a jejich antičásticemi.
Fotony, které existovaly v tehdejší době, byly tak silně energetické, že z nich vznikaly páry částic a antičástic. V dnešní době umíme sestavit experimenty, používající podobné energie – procesy, probíhající v hadronové éře jsou tedy poměrně dobře prozkoumané. Díky nepatrné převaze hmoty nad antihmotou, se ve vesmíru začala postupně kondenzovat hmota, která dnes tvoří jeho strukturu.
Vesmír se mezitím ochladil na 10+12 K. Je starý desetitisícinu vteřiny. Protony se mění v neutrony a naopak. Vzniká při tom úctyhodné množství neutrin. Patří k částicím, kterým říkáme leptony a dávají jméno další éře - leptonové. Dalším zástupcem skupiny leptonů je například elektron. Neutrina při této teplotě už nereagují s ostatními komponentami vesmíru a oddělí se od nich. Teď už nižší energie záření postačí pořád ještě k tomu, aby z ní vznikaly páry částic a antičástic. Ve velkém teď vznikají elektrony a pozitrony, aby se později anihilovaly. I u nich převládá nepatrně hmota nad antihmotou. Přebytky zůstanou nedotčeny, aby jednoho dne pomohly vytvořit neutrální atomy. Tato éra trvala zhruba do jedné sekundy po velkém třesku a do teplot kolem 10+10 Kelvinu.
Jednu vteřinu po velkém třesku se ve vesmíru nacházejí jak částice hmoty, tak i záření. Při teplotě kolem jedné miliardy stupňů Kelvina začíná probíhat jaderná fuze a začínají vznikat nová jádra prvků, deuterium a helium. Vážou se v nich skoro všechny dosud volné neutrony. Po uplynutí pouhých 30 minut je proces ukončen a ve vesmíru se teď nachází 75 % protonů, ze kterých se později vyvine atomární vodík, a 25% jader helia. Na prvky jako lithium a deuterium připadá jen několik nedůležitých promile celku. Těžší prvky nez lithium se v prvních fázích vesmíru ještě tvořit nemohly. Teplota by k tomu sice stačila – ne tak už koncentrace hmoty. Ke vzniku všech těžších prvků dojde až daleko později – v nitrech hvězd.
Planckova éra
Vývoj vesmíru začal tzv. „planckovou“ érou, pojmenovanou podle německého fyzika Plancka, který se zasloužil o objev kvantování (balíčkování) energie. Na jeho počest dodnes tímto jménem nazýváme nejmenší možné smysluplné části hmoty, "balíčky" prostoru, času a energie. Název planckova éra prozradí, že se jednalo o stav, který byl menší, hustší a teplejší než všechno, co umí věda smysluplně popsat a poznat. Planckova éra je definována planckovým časem (10-43 s) a planckovou teplotou (10+32stupňů K), což odpovídá 10+19 GeV. Naše fyzika se na tento stav nedá aplikovat, proto neexistuje ani žádná teorie, která by popisoval stav vesmíru v tomto bodě vývoje.
Všechny čtyři síly, které dnes pozorujeme ve vesmíru byly v planckově éře ještě nerozlučně spojené a nedaly se odlišit jedna od druhé. Sílu, která ve vesmíru v té době působila, nazývají vědci jednoduše „prasíla“.
Schematické znázornění dějů v planckově éře
Éra kvarků
Planckovu éru následovala při teplotě zhruba 10+22 Kelvinu a čase 10-23 s kvarková éra. Tehdejší hmotu vesmíru vědci nazývají kvarkově-gluonové plasma.
Vesmír tehdy sestával z částic, které zkondenzovaly z původní planckovy „pěny“ – kvarků (stavebních kamenů hmoty) a jejich antičástic. Kromě nich existovaly ještě i leptony (elektrony a neutrina), tyto částice ale nebyly díky vysoké teplotě stabilní. Vznikaly ze záření a následně se zase rozpadaly. Dalším komponentem vesmíru byly gluony – částice, které zprostředkovávají silnou jadernou interakci. Tato nejsilnější ze všech sil působí jen na extrémně krátké vzdálenosti (do 10-15m) - prakticky jen uvnitř jádra atomu. Gluony hrají při tvorbě hmoty roli „lepidla“, které pojí dohromady kvarky do podoby elementární částice.
V roce 2000 se podařilo vytvořit kvark-gluonové plasma v jednom z experimentů CERNu - a tím i potvrdit teorii, která ho předpokládala a předpověděla.
Po dosažení teploty 10+16 K (přibližně v čase 10-12 s) se odštěpila další základní síla, panující ve vesmíru – slabá jaderná interakce a elektromagnetismus.
Schema - kvarková éra
Hadronová éra
Kvarkovou éru vystřídala hadronová éra, když se díky postupného ochlazování vesmíru (10-6 s a 10+13 K) začaly volné kvarky spojovat a kondenzovat - a začaly vytvářet částice, kterým říkáme hadrony. ("Hadrony" se říká všeobecně částicím, které se skládají z kvarků. Dále se dají dělit podle množství kvarků, které obsahují. Mesony se skládají z kvarku a antikvarku, baryony – například proton a neutron – jsou složeny ze tří kvarků.)
Původně vzniklá těžká hadronová jádra budou s postupujícím rozpínáním a ochlazováním vesmíru ubývat, a budou nahrazena protony a neutrony a jejich antičásticemi.
Fotony, které existovaly v tehdejší době, byly tak silně energetické, že z nich vznikaly páry částic a antičástic. V dnešní době umíme sestavit experimenty, používající podobné energie – procesy, probíhající v hadronové éře jsou tedy poměrně dobře prozkoumané. Díky nepatrné převaze hmoty nad antihmotou, se ve vesmíru začala postupně kondenzovat hmota, která dnes tvoří jeho strukturu.
Schema - hadronová éra
Leptonová éra
Vesmír se mezitím ochladil na 10+12 K. Je starý desetitisícinu vteřiny. Protony se mění v neutrony a naopak. Vzniká při tom úctyhodné množství neutrin. Patří k částicím, kterým říkáme leptony a dávají jméno další éře - leptonové. Dalším zástupcem skupiny leptonů je například elektron. Neutrina při této teplotě už nereagují s ostatními komponentami vesmíru a oddělí se od nich. Teď už nižší energie záření postačí pořád ještě k tomu, aby z ní vznikaly páry částic a antičástic. Ve velkém teď vznikají elektrony a pozitrony, aby se později anihilovaly. I u nich převládá nepatrně hmota nad antihmotou. Přebytky zůstanou nedotčeny, aby jednoho dne pomohly vytvořit neutrální atomy. Tato éra trvala zhruba do jedné sekundy po velkém třesku a do teplot kolem 10+10 Kelvinu.
Schema - leptonová éra
V následujících érách bude vesmír ovládat záření a poté hmota.
Jednu vteřinu po velkém třesku se ve vesmíru nacházejí jak částice hmoty, tak i záření. Při teplotě kolem jedné miliardy stupňů Kelvina začíná probíhat jaderná fuze a začínají vznikat nová jádra prvků, deuterium a helium. Vážou se v nich skoro všechny dosud volné neutrony. Po uplynutí pouhých 30 minut je proces ukončen a ve vesmíru se teď nachází 75 % protonů, ze kterých se později vyvine atomární vodík, a 25% jader helia. Na prvky jako lithium a deuterium připadá jen několik nedůležitých promile celku. Těžší prvky nez lithium se v prvních fázích vesmíru ještě tvořit nemohly. Teplota by k tomu sice stačila – ne tak už koncentrace hmoty. Ke vzniku všech těžších prvků dojde až daleko později – v nitrech hvězd.
Schema - počátek éry hmoty
Situace ve vesmíru se teď na nějakou dobu trochu uklidní. Bude se rozpínat a tím i ochlazovat. Podíl energie záření se bude relativně k hmotě zmenšovat a po uplynutí dalších 10 000 let se hmota stane jeho hlavní dominující složkou.
Příště: síly a vznik vesmíru
Žádné komentáře:
Okomentovat