Читать книгу Astrofizyka dla zabieganych - Neil Tyson - Страница 8

Оглавление

Najwspanialsza opowieść, jaką kiedykolwiek opowiedziano

[…] ta całość wszystkiego […]

kiedy już raz na tory właściwe została pchnięta,

To utrzymała się na nich przez wielkich lat długi szereg.

Z nich wynika wszystko inne.

Lukrecjusz, O naturze rzeczy, ok. 50 r. p.n.e.[1]

Na początku, niemal czternaście miliardów lat temu, cała przestrzeń, cała materia i cała energia znanego nam świata zawierały się w objętości mniejszej niż jedna bilionowa część kropki stojącej na końcu tego zdania.

Było tam tak gorąco, że wszystkie oddziaływania podstawowe przyrody definiujące wszechświat były stopione w jedno, zunifikowane. Chociaż wciąż nie wiadomo, jak zaistniał ten mniejszy od czubka szpilki kosmos, wiemy, że się rozszerzał – i to gwałtownie. Dziś nazywamy to Wielkim Wybuchem.

Dzięki ogólnej teorii względności, zaproponowanej przez Einsteina w 1916 roku, grawitację rozumiemy współcześnie jako wynik obecności materii i energii, które zakrzywiają tkankę otaczającej je przestrzeni i czasu. Odkryta w latach dwudziestych minionego wieku mechanika kwantowa pozwala nam natomiast opisywać wszystko, co małe: cząsteczki, atomy i cząstki subatomowe (wchodzące w skład atomów). Te dwa sposoby pojmowania świata formalnie są jednak nie do pogodzenia. Fizycy na wyścigi zaczęli więc szukać wspólnego opisu świata rzeczy małych i świata rzeczy ogromnych w ramach jednej spójnej teorii: kwantowej grawitacji. Chociaż nie dobiegliśmy jeszcze do mety, dokładnie wiemy, gdzie na drodze stoją trudne do pokonania przeszkody. Jedna z nich czeka w „erze Plancka” wczesnego wszechświata. Jest to okres pomiędzy t=0 a t=10−43 sekundy (jednej dziesięcio-bilionowo-biliardowo-biliardowej sekundy), licząc od samego początku, czyli zanim świat urósł do rozmiarów 10−35 metra (jednej stu-miliardowo-bilionowo-bilionowej części metra). Niemiecki fizyk Max Planck, którego nazwisko noszą te niewyobrażalnie małe wielkości, w 1900 roku zaproponował koncepcję skwantowanej energii i jest powszechnie uznawany za ojca mechaniki kwantowej.

Niezgodność grawitacji i mechaniki kwantowej obecnemu wszechświatowi w praktyce nie sprawia kłopotu. Astrofizycy stosują założenia i narzędzia ogólnej teorii względności i mechaniki kwantowej do problemów należących do bardzo odmiennych kategorii. Jednakże na początku – podczas ery Plancka – to, co duże, było małe, podejrzewamy więc, że pomiędzy tym dwojgiem musiało dojść do swego rodzaju ślubu pod przymusem. Niestety słowa przysięgi wypowiedziane podczas tej ceremonii nadal się nam wymykają – żadne (znane) prawa fizyki nie opisują wiarygodnie zachowania wszechświata w tamtym czasie.

Niemniej przypuszczamy, że nim minęła era Plancka, grawitacja oswobodziła się z pozostałych – wciąż zespolonych ze sobą – oddziaływań, osiągając niezależną tożsamość nieźle opisywaną przez nasze obecne teorie. W miarę jak wszechświat starzał się przez kolejne 10−35 sekundy, rozszerzał się dalej, rozrzedzając wszystkie skupiska energii i rozprzęgając zunifikowane oddziaływanie, rozłamane już wówczas na „elektrosłabe” i „jądrowe silne”. Jeszcze później oddziaływanie elektrosłabe rozdzieliło się na elektromagnetyczne i jądrowe słabe, obnażając cztery siły, które dziś dobrze znamy i kochamy: słabe – zawiadujące rozpadami radioaktywnymi, silne – spajające jądra atomowe, elektromagnetyczne – wiążące cząsteczki, i grawitacyjne – przyciągające do siebie wielkie bryły materii.

Od początku upłynęła bilionowa część sekundy.

Przez cały ten czas pomiędzy materią w postaci cząstek subatomowych i energią w postaci fotonów – bezmasowych nośników energii świetlnej, które w tej samej mierze są falami, co cząstkami – manifestował się nieustanny związek. Wszechświat był dostatecznie gorący, żeby cząstki światła – fotony – samoistnie zamieniały swoją energię w pary cząstek materii i antymaterii, które unicestwiając się (anihilując) praktycznie natychmiast, na powrót oddawały ją fotonom. Tak, antymateria istnieje naprawdę. To my ją odkryliśmy – nie pisarze science fiction. Te cudowne przeistoczenia są w pełni zadane najsłynniejszym równaniem Einsteina: E=mc2. Jest to dwukierunkowy przepis na to, jak wiele materii warta jest energia i jak wiele energii warta jest materia. To c2 jest prędkością światła podniesioną do kwadratu – olbrzymią liczbą, która, gdy przemnoży się przez nią masę, przypomina nam, ile energii rzeczywiście uzyskuje się w tej przemianie.

Nieco wcześniej, w trakcie rozstawania się sił elektrosłabych i silnych oraz niedługo po nim, wszechświat był kipiącą zupą kwarków, leptonów i ich antyrodzeństwa, a także bozonów – cząstek, które umożliwiały oddziaływania pomiędzy nimi. Uważa się, że żadnego przedstawiciela tych rodzin cząstek nie da się podzielić na nic mniejszego lub bardziej podstawowego. Każdy z nich ma za to kilka wariantów. Zwykły foton jest członkiem rodziny bozonów. Leptony najlepiej znane niefizykom to elektron i być może neutrino. Natomiast najbardziej swojskie kwarki to… na dobrą sprawę, nie ma takich. Każdemu z ich sześciu podgatunków przypisano abstrakcyjną nazwę, która nie ma żadnego faktycznego sensu filologicznego, filozoficznego czy pedagogicznego poza jednym – odróżnia jedne od drugich: górny i dolny, dziwny i powabny oraz niski i wysoki.

Bozony, nawiasem mówiąc, ochrzczone zostały od nazwiska hinduskiego naukowca Satyendry Natha Bosego. Słowo „lepton” wywodzi się od greckiego leptos, co znaczy „lekki” lub „mały”. Natomiast proweniencji literackiej „kwark” to nazwa będąca owocem znacznie większej inwencji twórczej. Fizyk Murray Gell-Mann, który w 1964 roku postulował istnienie kwarków – sądził wtedy zresztą, że ich rodzina ma jedynie trzech członków – jako wewnętrznych składników neutronów i protonów, wywiódł tę nazwę z pewnego wersu Finneganów trenu Jamesa Joyce’a o znamiennie nieuchwytnym sensie: „Niech kwarki trzy ma Mark!”[2]. Trzeba przyznać, że kwarki mają jedną zaletę: ich nazwy są proste – jest to coś, czego chemicy, biolodzy, a zwłaszcza geolodzy nie potrafią, jak się zdaje, osiągnąć, nazywając własne znaleziska.

Kwarki to osobliwe stwory. W przeciwieństwie do protonów, posiadających ładunek elektryczny +1, i elektronów z ładunkiem –1, mają one ładunki ułamkowe, liczone w częściach trzecich. Nie da się też złapać kwarka samotnego – zawsze będzie kurczowo trzymał się towarzystwa sąsiadów. Co więcej, im bardziej odsuwa się kwarki od siebie, tym większa jest siła trzymająca je razem (dwa kwarki lub więcej) – jak gdyby spięte były jakiegoś rodzaju wewnątrzjądrową gumką recepturką. Gdy dostatecznie się je oddali, gumka pęka, a nagromadzona energia przyzywa równanie E=mc2, powodując wytworzenie w miejsce pęknięcia dwóch kolejnych kwarków, przez co wraca się do punktu wyjścia.

W erze kwarkowo-leptonowej gęstość wszechświata była wystarczająca, żeby przeciętna odległość pomiędzy niepołączonymi kwarkami była konkurencyjna wobec odległości ich spiętych gumką pobratymców. W takich warunkach niemożliwe było trwałe związanie się sąsiadujących kwarków, poruszały się więc pomiędzy sobą swobodnie, pomimo ich zbiorowego sprzęgnięcia. O odkryciu tego stanu materii – swoistej kwarkowej mikstury w kotle – po raz pierwszy doniósł w 2002 roku zespół fizyków z Brookhaven National Laboratory z Long Island w Nowym Jorku.

Istnieją mocne teoretyczne przesłanki wskazujące, że w bardzo wczesnym wszechświecie, być może podczas jednego z podziałów oddziaływań, pewne zdarzenie pozostawiło nam w spadku niezwykłą asymetrię dającą cząstkom materii liczebną przewagę nad antymaterią – w stosunku miliard plus jeden do miliarda. Ta mała różnica pogłowia była niemal niezauważalna przy ciągłej kreacji, anihilacji i ponownym stwarzaniu kwarków i antykwarków, elektronów i antyelektronów (szerzej znanych jako pozytony) oraz neutrin i antyneutrin. Taki nadkomplet miał mnóstwo okazji, by znaleźć kogoś, z kim mógłby się unicestwić, tak samo zresztą jak wszyscy pozostali.

Jednak do czasu. Gdy kosmos nadal rozszerzał się i ochładzał, rosnąc do rozmiarów większych od Układu Słonecznego, jego temperatura prędko spadła poniżej biliona kelwinów.

Od początku upłynęła milionowa część sekundy.

Taki letni wszechświat nie był już dość gorący ani gęsty, żeby kwarki w nim wrzały, pochwyciły więc swoich tanecznych partnerów i stworzyły nową rodzinę ciężkich cząstek zwanych hadronami (od greckiego hadros, co znaczy „gruby”). Przejście kwarkowo-hadronowe szybko zaowocowało pojawieniem się protonów i neutronów, jak również innych, mniej znanych ciężkich cząstek, złożonych z rozmaitych kombinacji kwarków. W Szwajcarii (zejdźmy na chwilę na Ziemię) europejskie konsorcjum fizyków cząstek elementarnych[3] korzysta z wielkiego akceleratora do zderzania ze sobą wiązek hadronów, usiłując odtworzyć właśnie takie warunki. To największe urządzenie na świecie całkiem adekwatnie nazywa się Wielkim Zderzaczem Hadronów (LHC, z ang. Large Hadron Collider).

Ta drobna asymetria pomiędzy materią a antymaterią, która namieszała w kwarkowo-leptonowej zupie, przeszła teraz na hadrony. Jednakże przyniosła ze sobą nadzwyczajne skutki.

Im bardziej wszechświat się ochładzał, tym bardziej spadała ilość energii dostępnej do samoistnego tworzenia się cząstek elementarnych. W erze hadronów otaczające je fotony nie mogły już powoływać się na równanie E=mc2, by kreować pary kwark–antykwark. Co więcej, fotony powstałe we wszystkich pozostałych anihilacjach utraciły energię na rzecz stale rosnącego wszechświata. Ich energia znalazła się poniżej progu, którego przekroczenie jest wymagane, żeby stworzyć parę hadron–antyhadron. Na każdy miliard anihilacji – i miliard pozostawionych w ślad za nimi fotonów – przeżył jeden hadron. Ostatecznie to te samotniki spijają całą śmietankę, służąc za pierwotne źródło materii tworzącej galaktyki, gwiazdy, planety i petunie.

Bez tego niezrównoważonego stosunku materii i antymaterii – miliard jeden do miliarda – cała masa we wszechświecie unicestwiłaby się, pozostawiając kosmos wypełniony fotonami i niczym poza nimi – oto ekstremalna wersja scenariusza pod tytułem „niech stanie się światłość”.

Upłynęła dotąd jedna sekunda.

Wszechświat rozrósł się wszerz na kilka lat świetlnych[4], czyli mniej więcej na odległość pomiędzy Słońcem a najbliższą sąsiadującą z nim gwiazdą. Mając miliard stopni, ciągle jest koszmarnie gorący – i wciąż może wytworzyć elektrony, które wraz ze swoimi antymaterialnymi odpowiednikami (pozytonami) nieustannie powstają i znikają. W tym stale rozszerzającym się i stygnącym wszechświecie ich dni (a w zasadzie sekundy) są jednak policzone. To, co stało się udziałem kwarków, a następnie hadronów, przytrafiło się też elektronom: w końcu ocalał tylko jeden elektron na miliard. Pozostałe uległy anihilacji ze swoimi kompanami, pozytonami w morzu fotonów.

Mniej więcej w tym czasie na każdy proton przypada jeden „zakrzepły” w swym bycie elektron. W miarę stygnięcia kosmosu, którego temperatura zeszła już poniżej stu milionów stopni, protony spajają się ze sobą oraz z neutronami, przybierając postać jąder atomowych. Wykluwa się wszechświat, w którym dziewięćdziesiąt procent materii to jądra wodoru, a dziesięć procent – jądra helu oraz śladowe ilości deuteru („ciężkiego” wodoru), trytu (jeszcze cięższego wodoru) oraz litu.

Od początku upłynęły już dwie minuty.

Przez następne 380 000 lat w naszej cząsteczkowej zupie działo się będzie niezbyt wiele. Przez te tysiąclecia utrzymywała się wystarczająco wysoka temperatura, żeby elektrony mogły swobodnie włóczyć się pośród fotonów i w ramach oddziaływania z nimi odbijać je w tę i z powrotem.

Kres tej wolności przyszedł nagle – gdy temperatura wszechświata spadła poniżej 3000 kelwinów (czyli około połowy temperatury powierzchni Słońca) i wszystkie swobodne elektrony przyłączyły się do jąder. Mariaż ten skąpał w świetle widzialnym cały świat, pozostawiając na niebie niezatarty ślad zawierający zapis rozmieszczenia wszelkiej materii, jaka istniała w tamtej chwili. Tak ukończone zostało formowanie się cząstek i atomów pierwotnego wszechświata.

Ciąg dalszy dostępny w wersji pełnej.

[1] Tłum. Grzegorz Żurek; ostatni wers za angielskim przekładem Ronalda E. Lathama z 1951 roku.

[2] Tłum. Krzysztof Bartnicki.

[3] Europejska Organizacja Badań Jądrowych, lepiej znana pod akronimiczną nazwą CERN.

[4] Rok świetlny to odległość, jaką przemierza światło w jeden ziemski rok – blisko dziesięć bilionów kilometrów.

Подняться наверх