Wielki Wybuch
Ułamki pierwszej sekundy
Teoria początku wszechświata zakłada, że powstał on ok. 13 miliardów lat temu w stanie o nieskoczenie dużej gęstości i temperaturze, na obszarze o nieskoczenie małej objętości. Za początek wszechświata uznaje się wydarzenie nazywane Wielkim Wybuchem (ang. Big Bang). Wszechświat następnie rozszerzał się, a w miarę jak wzrastał jego promień - spadała temperatura. Po upływie 0,01 s po umownym Wielkim Wybuchu temperatura wszechświata wynosiła ok. 100 miliardów stopni Celsjusza (dla porównania temperatura w jądrze słonecznym to ok. 10 milionów stopni). W tym czasie wszechświat składał się głównie z elektronów i pozytonów (antycząstka elektronu) oraz neutrin i antyneutrin, które nieustannie powstawały i ulegały anihilacji. Występowały również niewielkie ilości nukleonów: protonów i neutronów (ok. jeden nukleon na miliard cząstek). Na skutek zderzeń między sobą ciągle znikały jedne cząstki a na ich miejsce kreowane były nowe. I tak, na przykład, po zderzeniu antyneutrina z protonem powstawał pozyton i neutron, a po zderzeniu neutrina z neutronem powstawał proton i elektron. Sytuacja zaczęła się zmieniać gdy temperatura spadła poniżej 30 milionów stopni.
Protony górą!
W miarę jak malała temperatura wszechświata zmniejszała się również energia cząstek. W pewnym momencie niewielka różnica mas (a ponieważ E = mc2, to również energii) jaka istnieje między protonem a neutronem zaczęła odgrywać coraz większą rolę. Trudniej było spowodować reakcję przemiany lżejszego protonu w cięższy neutron. Konsekwencją tego był wzrost liczby protonów w stosunku do ilości neutronów z początkowego stosunku 50:50 na 62:38. Po upływie 0,3 s od Wielkiego Wybuchu nastąpiła kolejna ważna zmiana. Gęstość wszechświata (mieszaniny cząstek ściśniętych w niewielkiej objętości) stała się na tyle mała, że neutrina przestały oddziaływać z pozostałymi cząstkami. Dzieje się tak aż do chwili obecnej. Po upływie 1,1 s od Wielkiego Wybuchu temperatura sięga 10 miliardów stopni, a stosunek liczby protonów do neutronów wynosi 76:24.
Dlaczego nie ma pozytonów?
Ciągły spadek temperatury miał również wpływ na kreację i anihilację par elektron-pozyton. Gdy temperatura spadła poniżej 10 miliardów stopni, coraz mniej było fotonów o energii wystarczającej do kreacji pary elektron-pozyton. Dlatego w tym czasie anihilacja tych cząstek zachodziła szybciej niż ich kreacja. Gdy po czasie 13,8 s po Wielkim Wybuchu temperatura spadła do około trzech miliardów stopni, całkowicie ustała kreacja par elektron-pozyton, a istniejące dotychczas pozytony szybko ulegały anihilacji. Fakt, że w dzisiejszym świecie w normalnych warunkach nie występują pozytony, a jedynie elektrony świadczy o tym, iż w początkowym okresie formowania się wszechświata tych drugich musiało być więcej. Nadal zachodziły reakcje, w których neutrony zmieniały się w protony, ale w stosunkowo niskiej temperaturze szybkość tych reakcji gwałtownie malała. Z połączenia protonu z neutronem powstawać zaczęły jądra deuteru (deuter to izotop wodory zawierający w jądrze jeden proton i jeden neutron), które jednak szybko ulegały rozbiciu po zderzeniu z fotonami. Sytuacja ta zmieniła się dopiero w ok. trzy minuty i dwie sekundy od chwili wielkiego wybuchu, kiedy to temperatura spadła do miliarda stopni i była na tyle niska, że mogły przetrwać jądra deuteru. W tym czasie stosunek liczby protonów do neutronów wynosił 86:14. Od mniej więcej tej chwili tempo zmian wszechświata jest już na tyle powolne, że można mówić o procesach trwających sekundy, a nie ułamki sekund.
Era promieniowania
Po około czterech minutach po Wielkim Wybuchu, przy temperaturze 900 milionów stopni, w wyniku nukleosyntezy (łączenia nukleonów, czyli protonów i neutronów) zaczynają powstawać jądra helu-4 składające się z dwóch protonów i dwóch neutronów. W ten sposób wszystkie neutrony, stanowiące 13-14% ogółu nukleonów, zostały związane w jądrach helu. Niewykorzystane protony miały w przyszłości stać się jądrami wodoru. Na tym etapie powstawania wszechświata nie można jeszcze mówić o powstawaniu atomów. Gdy tylko jakiś proton lub jądro helu łączyło się z elektronem, układ ten natychmiast zostawał rozbijany przez posiadające dużą energię fotony (oddziaływanie elektromagnetyczne między elektronem a innymi cząstkami jest o wiele słabsze niż oddziaływania między nukleonami w jądrze atomowym). Era ta, zwana erą promieniowania, trwała około 700 000 lat, a temperatura wszechświata spadła do 4000 K (ok. 3727 °C) w wyniku czego jądra helu oraz swobodne protony mogły się połączyć z elektronami tworząc odpowiednio: elektrycznie obojętne atomy helu i wodoru.
Literatura: „W Poszukiwaniu Wielkiego Wybuchu” John Gribbin
