M51Blog popularnonaukowy

No i jest. Kolejny artykuł z cyklu „Historia Wszechświata”. Po dość długiej przerwie w końcu udało mi się coś napisać. Wiem że niektórzy stracili już nadzieję, ale wbrew licznym prognozom – blog wciąż żyje, albo raczej – wegetuje.

Tym razem o pierwszych chwilach naszego wszechświata. Czyli o wydarzeniach, które nastąpiły zaraz po Wielkim Wybuchu. Krążyłem wokół tego tematu już we wcześniejszych artykułach, podając dowody na prawdziwość teorii Wielkiego Wybuchu. Jak również snując nieco dziwniejsze rozważania na temat samego aktu powstania.

W końcu przyszedł czas na opisanie procesów, które doprowadziły do zaistnienia gwiazd, planet, życia i innych tego typu rzeczy. Z punktu widzenia historii ludzkości, są to raczej ważne wydarzenia. Bez nich, wszechświat byłby znacznie mniej ciekawym miejscem. W zasadzie, to nie byłoby nikogo, kto by mógł osądzić czy coś jest ciekawe czy nie. Dlatego właśnie, warto mieć o nich jakieś pojęcie.

Słowo klucz – mieć pojęcie. Nie stawiam sobie za cel, dokładnego opisania wszystkich procesów ewolucji wszechświata. Taki tekst, miałby objętość kilku grubych książek, a i tak zawierał niekompletne informacje, gdyż naukowcy wciąż mają wiele wątpliwości w kilku miejscach. Poza tym, sam nie czuję się na siłach by głęboko wchodzić w ten temat. Ten blog nie powstał w celu promowania szczegółowej i wyczerpującej wiedzy na tematy fizyczne. Od tego są publikacje naukowe.

Tu chodzi o to, żeby „mieć pojęcie”. I nie jest to wcale mało. Pozwala to wiedzieć więcej niż 99% ludzi na świecie, którzy pojęcia na ten temat nie mają żadnego.

Będę koncentrował się na rzeczach naukowo pewnych, a pomijał te nie do końca zweryfikowane. Dlatego nie będzie o inflacji (kosmologicznej), supersymetrii, unifikacji sił, ciemnej energii i tego typu sprawach, które w jakimś kształcie na pewno miały miejsce, jednak ich istota nie została jeszcze naukowo wyjaśniona.

Dodatkowo, by nie zaciemniać całości przekazu niektóre sprawy mogą być potraktowane powierzchownie. Tu i ówdzie pojawią się niedopowiedzenia, z którymi należy się liczyć, przy tej – nie za długiej formie.

Zasada zachowania energii

Niestety, nie obejdzie się bez wstępu, długiego. Zawsze kiedy piszę artykuł zakładam sobie, że czytelnik nie ma zielonego pojęcia o fizyce, poza najbardziej elementarną wiedzą na poziomie gimn… podstawówki. Dlatego wprowadzenie jest niezbędne, aby przyswoić sobie kilka pojęć. Obiecuję, że do pierwszych chwil wszechświata w końcu dojdziemy. Ale najpierw o jednym z podstawowych pojęć fizyki – czyli energii.

Tak właściwie, to o związanej z nią, zasadzie zachowania energii. Nie wytłumaczę tego lepiej niż jeden z najwybitniejszych fizyków ubiegłego stulecia – Richard Feynman. Co prawda cytat ten ma już swoje lata, ale na potrzeby naszych rozważań, nie wgłębiających się w szczegóły, w zupełności wystarczy.

Istnieje pewien fakt, czy też – jeśli ktoś woli – pewne prawo, które rządzi wszystkimi dotychczas znanymi zjawiskami przyrodniczymi. Nie znamy wyjątków od tego prawa; wszystko wskazuje na to: że jest ono bezwarunkowo obowiązujące. Prawo to nazywamy zasadą zachowania energii.

Zasada zachowania energii mówi, że istnieje pewna wielkość, zwana energią, nie ulegająca zmianie podczas różnorodnych przemian, które zachodzą w przyrodzie. To stwierdzenia ma charakter zupełnie abstrakcyjny, ponieważ wyraża fakt matematyczny – mówi ono, że pewna liczba pozostaje stała, gdy coś się dzieje. Zasada zachowania energii nie jest opisem żadnego mechanizmu ani czegoś konkretnego; stwierdza jedynie dziwny fakt, że jeśli obliczymy pewną wielkość, a następnie poczekamy aż przyroda dokona swoich sztuczek i obliczymy tę samą wielkość powtórnie, przekonamy się, że otrzymaliśmy ten sam wynik.

Richard P. Feynman: Feynmana wykłady z fizyki. Tom 1.1, strona 64, Wydawnictwo Naukowe PWN, ISBN 83-01-13485-2

Weźmy samochód, poruszający się z pewną prędkością. Jak każdy obiekt znajdujący się w ruchu, posiada on energię z ruchem związaną – energię kinetyczną. Natomiast, kiedy stoi w miejscu - jego energia kinetyczna jest zerowa.

Załóżmy że samochód ruszył, wraz z nabieraniem prędkości jego energia kinetyczna rośnie. Zgodnie z zasadą zachowania, energia nie może się brać z niczego. Co ją dostarcza? W tym przypadku, wzrost energii kinetycznej odbywa się kosztem energii cieplnej (tak ją nazwijmy, chociaż w rzeczywistości jest to energia kinetyczna cząsteczek gazu), wytwarzanej przez silnik spalinowy. Część energii jest marnowana na ogrzanie silnika, a część porusza tłokami, rozpędzając samochód.

Energia cieplna wytwarzana jest kosztem reakcji chemicznych tlenu z paliwem. A po ludzku mówiąc, ze spalania benzyny. Można powiedzieć, że kosztem energii chemicznej, którą posiada paliwo.

Skąd paliwo ma energię? Cóż, typowe paliwo wytwarza się głównie z ropy naftowej. Która to z kolei powstała z obumarłych szczątków roślinnych wiele milionów lat temu. Energię roślinom dostarcza Słońce w postaci promieniowania, czyli energii kinetycznej fotonów.

Skąd fotony mają energię kinetyczną? Dzięki fuzji wodoru we wnętrzu Słońca, czyli energii jądrowej.

Można jeszcze pójść dalej i powiedzieć, że fuzja jest możliwa dzięki energii potencjalnej grawitacji cząstek wodoru. Ale chyba już wiecie mniej więcej o co chodzi.

Energia nie pojawia się znikąd. Jeśli jakiś układ nabiera energii, to zawsze kosztem utraty energii innego układu.

Działa to także w drugą stronę. Jeśli samochód hamuje, to traci energię kinetyczną. Ale co ją zyskuje? Głównym beneficjentem w klasycznym samochodzie są tarcze hamulcowe, które ulegają rozgrzaniu (zwiększenie energii wewnętrznej). W przypadku hybryd, energia ta, jest pożytkowana na doładowanie akumulatorów. Zmienia się na energię elektryczną, która może być potem ponownie wykorzystana.

Załóżmy, że dwa samochody jadą ku sobie z jednakową prędkością. Dochodzi do klasycznej czołówki. Jeden samochód posiadał pewną energię, i drugi też. Przyjmijmy, że taką samą. W momencie kraksy ich energia kinetyczna zmalała do zera (no bo stoją już w miejscu), gdzie się podziała?

Została spożytkowana na zmianę struktury karoserii, oraz na jej rozgrzanie; a jej część, na nadanie energii kinetycznej pasażerowi który nie zapiął pasów i wyleciał przez przednią szybę. Zwracam uwagę, że tutaj mieliśmy do wykorzystania energię kinetyczną dwóch samochodów, która nie mogła po prostu zniknąć, musiała być gdzieś przekazana.

Tymczasem w Szwajcarii

Bardzo rzadko wiadomości ze świata nauki przenikają do mediów masowych i do świadomości społeczeństwa. Jednym z nielicznych wyjątków było doświadczalne potwierdzenie istnienia bozonu Higgsa w 2012. Głównie ze względu na chwytliwe określenie samego bozonu - boska cząstka – jak również na rozmiary aparatury użytej do jej wykrycia, czyli Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC).

Mówiąc w skrócie, LHC służy do nadawania energii kinetycznej cząstkom, by potem gwałtownie ją wytracić w wyniku zderzenia. Jeśli kojarzycie to ze zderzeniem czołowym dwóch samochodów z poprzedniego rozdziału, to macie słuszność. Zasada jest podobna.

Dwie przeciwbieżne wiązki cząstek, rozpędzane są do prędkości bliskiej prędkości światła w kołowym tunelu o długości prawie 27 kilometrów. Kiedy osiągną zakładaną energię (prędkość), kierowane są na kurs kolizyjny. Cząstki z jednej wiązki zderzają się z cząstkami z drugiej. To co powstanie w wyniku zderzeń, rejestrowane jest przez detektory. W każdej sekundzie, dochodzi do 1.6 miliarda zderzeń.

Jak to wygląda z perspektywy dwóch przeciwbieżnych cząstek możecie zobaczyć animacji poniżej.

Cząstki użyte do zderzeń to głównie protony, chociaż prowadzone są także eksperymenty ze zderzeniami jąder pierwiastków ciężkich. Ale my skoncentrujmy się na tych pierwszych.

Pod koniec roku 2017 maksymalna energia jaką nadawano pojedynczym protonom to 6.5^[1]TeV. Odpowiada to 0.99999999 prędkości światła w próżni (3m/s wolniej niż światło).

Proton jest cząstką wchodzącą w skład jądra atomowego. W przypadku najpowszechniejszej odmiany atomu wodoru, jest samodzielnym jądrem. Sam proton składa się z trzech kwarków. Dwóch kwarków górnych (kwark górny to jest nazwa, a nie określenie położenia) oraz jednego kwarka dolnego. Kwarki są połączone za pomocą oddziaływania jądrowego silnego, którego nośnikiem są gluony. Kwarki są cząstkami elementarnymi. Na dzisiejszy stan wiedzy uważa się, że są niepodzielne. Uproszczony wygląd atomu wodoru oraz protonu na ilustracji poniżej.

I właśnie takie protony zderzane są ze sobą w tunelu LHC. Niestety nie jest łatwo trafić jednym protonem w drugi, tak aby stuknęły się „czołowo” i wytraciły prędkość. Chociaż 1.6 miliarda zderzeń na sekundę wydaje się dużo. To należy pamiętać, że w jednej wiązce znajduje prawie 2556 „paczek” protonów. Każda paczka składa się 115 miliardów protonów. Statystycznie dochodzi tylko do 60^[2] „czołowych” zderzeń, gdy paczka z jednej wiązki mija paczkę z wiązki drugiej. A wszystko to przy grubości wiązki 2.5^[3] mikrometrów (ponad dwa razy mniej niż średnica ludzkiej czerwonej krwinki).

Zderzenia protonów

Liczby mogą być interesujące, ale przejdźmy w końcu do samego zderzenia. Załóżmy, że mamy dwa szczęśliwe protony, które zderzyły się centralnie. Każdy z nich miał energię kinetyczną 6.5 TeV. Załóżmy także, że podobnie jak omawiane wcześniej samochody, protony również wytraciły prędkość do zera. Energia kinetyczna jest zerowa. Co się z nią stało? Energia zderzenia samochodów poszła na odkształcenie karoserii. W przypadku protonu nie ma co się odkształcać, możemy jedynie rozerwać wiązania między kwarkami, ale do tego nie trzeba aż tak dużo energii. Dalej zostaje jej sporo i nie wiadomo co się z nią dzieje. A przecież zniknąć nie może… Gdzieś musi zostać zagospodarowana.

Poniżej macie ilustracje tego, co rejestruje jeden z detektorów w kompleksie LHC.

Łatwo dostrzec miejsce zderzenia. To ten punkt, od którego te wszystkie dziwne żółte, zielone, niebieskie kreski się rozchodzą. Czym te kreski są? To cząstki powstałe w wyniku kolizji. Na przykład te dwie niebieskie odchodzące w górę, to elektrony.

Ich obecność może być zaskakująca. W końcu było to zderzenie protonów, które są zbudowane z kwarków. Elektronów tam być nie powinno. A w ogóle, jakoś dużo tam tego wszystkiego.

Powiem więcej, gdybyśmy zamiast protonów, zderzyli ze sobą dwa elektrony, które są niepodzielne, to także otrzymalibyśmy podobny rój cząstek. Wygląda na to, że to co uczestniczyło w początkowej reakcji nie miało praktycznie żadnego znaczenia dla jej końcowego efektu.

To tak, jakby po zderzeniu dwóch śliwek otrzymać cztery śliwki, dwie pomarańcze i arbuza.

Cząstki jakby wyskoczyły z nicości, odlatując z miejsca zderzenia.

Suma energii kinetycznych dwóch protonów, czyli 13 TeV (6.5 + 6.5), została przeznaczona na wytworzenie nowych cząstek.

Naukowcy nie po to rozbijają cząstki, aby zobaczyć co mają w środku (taki elektron nie ma niczego), chcą tylko stworzyć odpowiednie warunki do wytworzenia nowych cząstek.

W codziennym doświadczeniu, takie zjawiska wydają nam się obce. W końcu nic, ot tak, nie wyskakuje z próżni na naszych oczach. Ale czy na pewno?

Powszechną wiedzą jest, że światło jest strumieniem cząstek – fotonów. Jeśli cokolwiek – na przykład żarówka – świeci, to musi emitować fotony. A skąd te fotony się biorą? Były schowane w atomach z których składa się żarnik żarówki?

No właśnie nie. Nie istniały, aż do momentu w którym zostały wyemitowane. Za pomocą prądu elektrycznego dostarczyliśmy atomom żarnika energię, wzbudzając je. Następnie atom spontanicznie traci tą energię, a jej ubytek przejmuje foton powstały z próżni, który dociera do naszych oczu.

Nie zastanawiamy się nad tym, ale proces powstawania nowych cząstek jest czymś naturalnym. Wynika z praw fizycznych rządzących naszym wszechświatem. Tam gdzie jest nadmiar energii, tam muszą powstawać cząsteczki.

Kwestią jest, jakie cząstki powstają w jakich warunkach. Przykładowo nasza żarówka produkowała tylko fotony, ale już w wyniku zderzenia w LHC, powstały także inne. Od czego to zależy?

Energia spoczynkowa

Energia kinetyczna była związana z ruchem. Gdy ciało stało w miejscu, jego energia była zerowa. Zupełnie inaczej jest z energią spoczynkową.

Każde ciało, które ma masę, posiada także ten typ energii. Niezależnie od tego czy pozostaje w ruchu, czy nie. Ilość energii spoczynkowej cząstki, jest zależna od jej masy.

Przykładowo, energia spoczynkowa protonu to 938.27^[4] MeV. Ale już energia dowolnego ciała o masie 1 grama, jest porównywalna z energią wybuchu bomby atomowej zrzuconej na Hiroszimę. Zależność ta, opisana jest najsłynniejszym wzorem fizyki - czyli E=mc². Wynika z niego, że nawet w najmniejszej masie, skrywana jest ogromna energia (bo c², czyli prędkość światła do kwadratu, to dużo).

Z drugiej strony, jeśli istnieje cząsteczka która nie ma masy, to nie posiada także energii spoczynkowej. Taką cząstką jest na przykład foton.

Teraz uwaga.

Aby jakaś cząstka zaistniała musi zostać dostarczona jej energia, która wystarczy na pokrycie energii spoczynkowej tej cząstki.

Przykładowo, aby powstał elektron, w jakiś sposób musi otrzymać energię, o wartości co najmniej 0.51^[5] MeV. W końcu zasada zachowania energii musi być przestrzegana. Gdyby cząstki ot tak wyskakiwały nie pobierając wcześniej energii z zewnątrz, byłoby to jej wyraźne pogwałcenie. Otrzymywalibyśmy coś co ma energię (spoczynkową) za nic.

Wygląda to tak, jakby potencjalne cząstki czekały w próżni, na moment, gdy coś z zewnątrz dostarczy im energię. Wtedy z cząstki potencjalnej (wirtualnej) przekształcają się w rzeczywistą. Powiem nawet, że taka interpretacja nie jest wcale daleka od prawdy.

Ale, wróćmy do LHC i zderzenia protonów.

Energia zderzenia to 13 TeV. Czyli w jego wyniku, mogła powstać taka ilość cząstek, których łączna masa spoczynkowa nie przekracza 13 TeV. Weźmy protony, ich energia spoczynkowa to 938.27 MeV, w przybliżeniu 1 GeV. Czyli skutkiem zderzenia, mogło powstać maksymalnie 13000 protonów (13 TeV = 13000 GeV).

Energia spoczynkowa słynnego Bozonu Higgsa to około 125^[6] GeV. Teoretycznie jedna kolizja o mocy 13 TeV pozwala na wytworzenie 10 takich cząstek.

Tylko taka sytuacja jest wybitnie nieprawdopodobna. Zwykle powstaje rój różnych cząstek, a najwięcej tych o najniższej masie spoczynkowej. Są po prostu „najłatwiejsze” w produkcji. Im cząstki masywniejsze, tym trudność wzrasta.

Dochodzi jeszcze jeden czynnik. Powstałe cząsteczki, prawie zawsze mają jakąś prędkość. Z tego wynika, że mają energię kinetyczną. Czyli energia zderzenia zostaje przeznaczona na dostarczenie cząstce energii spoczynkowej, co umożliwia jej zaistnienie, oraz na nadanie jej energii kinetycznej.

Jest też możliwa sytuacja, gdy z zderzenia o mocy 13 TeV powstaną tylko dwie cząstki, ale za to o ogromnej energii kinetycznej. Sytuacja możliwa, ale znowu – wysoce nieprawdopodobna. W rzeczywistości, zgodnie z regułami statystyki, powstaje trochę tego, trochę owego, poruszającego się z różnymi prędkościami.

Niektóre cząstki, takie jak fotony nie mają w ogóle energii spoczynkowej. Wszystko czym są, to energia kinetyczna. Produkcja ich nie wymaga dużych nakładów. Dlatego nawet zwykła żarówka – emituje fotony. Ale do produkcji masywniejszych cząstek, musimy używać akceleratorów.

Listę wszystkich cząstek elementarnych, wraz z ich masami spoczynkowymi, możecie zobaczyć po kliknięciu tutaj.

Druga strona

Żeby jeszcze bardziej skomplikować sprawę, dodajmy jeszcze jeden wątek. Jeśli cząsteczki powstają, to prawie nigdy w pojedynczym egzemplarzu, tylko zawsze w parach.

Jeden z elementów pary jest przedstawicielem materii, podczas gdy drugi – antymaterii.

Przykładowo, jeśli po zderzeniu pojawił się elektron, to możemy być pewni, że musiał powstać także antyelektron (nazywany pozytonem). Antycząstka także ma energię spoczynkową (i kinetyczną). Dlatego nasz wcześniejszy rachunek dotyczący powstawania protonów, należy zmodyfikować do postaci: 6500 protonów, 6500 antyprotonów.

Każda cząstka elementarna ma swoją odpowiedniczkę w antymaterii. Wyjątkiem są nośniki oddziaływań, takie jak omawiane wcześniej fotony, ale też gluony. One same są jednocześnie przedstawicielem materii i antymaterii. Swoją własną antycząstką.

Pary cząstka-antycząstka, tak samo jak mogły się pojawić, tak samo mogą zniknąć. Skoro powstały pobierając skądś energię, to ich zniknięciu także musi towarzyszyć emisja energii. Proces taki nazywamy anihilacją. Ich energia spoczynkowa zostaje oddana do otoczenia, a same przestają realnie istnieć.

Elektron po bliskim spotkaniu z pozytonem (antyelektronem), znika w błysku energii. Podobnie kwark górny z antykwarkiem górnym. Cząstki powstają oraz anihilują jako pary tego samego rodzaju. Elektron przykładowo nie anihiluje z antykwarkiem górnym. Ani antykwark górny z antykwarkiem dolnym. Typ cząstki musi się zgadzać.

Anihilacji towarzyszy emisja energii. Nie ma przeszkód by z tej energii powstały inne, lżejsze cząstki.

Przykładowo, energia kwarku górnego to 2.2^[7] MeV. Jego brata – tyle samo. Czyli w wyniku anihilacji mamy do dyspozycji 4.4 MeV energii. W sam raz na cztery elektrony i cztery pozytony, każdy po 0.51 MeV.

W praktyce, jeśli zostaje nam dużo energii i za bardzo nie ma chętnych do zaistnienia, to typowym zapychaczem są fotony. Nie mają energii spoczynkowej, a kinetyczną mogą mieć prawie dowolną.

Po więcej informacji o antymaterii zapraszam do artykułu pod tytułem „Czym jest antymateria”.

A my przejdźmy w końcu do tematu dnia, czyli narodzin wszechświata.

Pierwsze chwile

Czytając wcześniejsze akapity możecie mieć już pewne wyobrażenie o tym, jak powstały elementy budujące materialną strukturę świata. Nie bez powodu, o eksperymentach w Wielkim Zderzaczu Hadronów mówi się, że odwzorowują warunki jakie panowały podczas narodzin wszechświata. Tam gdzie mamy dużo energii, w jednej ze swoich form, tam muszą powstawać cząstki.

Na dzień dzisiejszy teoria Wielkiego Wybuchu jest obowiązującym modelem tłumaczącym sposób powstanie naszego uniwersum. I nic nie wskazuje na to, by została w najbliższym czasie zastąpiona przez inną. O dowodach na jej prawdziwość napisałem w wcześniejszym artykule.

Teoria Wielkiego Wybuchu mówi, że wszechświat rozpoczął żywot jako nieskończenie mały punkt, który w gwałtowny sposób rozrósł się do gigantycznych rozmiarów. Już 0.01 milisekundy po wybuchu, obserwowany dzisiaj wszechświat, miał wielkość Układu Słonecznego^[8]. Może się to wydawać dużo, ale wyobraźcie sobie, że wszystkie gwiazdy, galaktyki, oraz wasza pani od biologii, zamknięte były w tak małej przestrzeni.

Cała znana nam energia dzisiejszego wszechświata, była wtedy tam obecna. A gdzie dużo energii upchane na niewielkim obszarze – tam muszą powstawać cząstki.

Niestety, te naprawdę „pierwsze chwile” w dalszym ciągu stanowią pole intensywnych badań. Dokładne ich poznanie wymaga całkiem nowych teorii fizycznych, których na ten moment nie ma. A energie dzisiejszych akceleratorów takich jak LHC, nie są w stanie odwzorować tych absolutnie pierwszych momentów.

Nie pozostaje nam nic innego, niż zacząć historię troszkę po Wielkim Wybuchu, zręcznie omijając wydarzenia wcześniejsze.

Bariogeneza

Zaczniemy, powiedzmy… od 0.01 milisekundy po Wielkim Wybuchu. Wszechświat jest wtedy znacznie prostszy niż dzisiaj. Całą przestrzeń wypełnia tzw. plazma kwarkowo-gluonowa. Jest to mieszanina kwarków i gluonów, a także wszystkich innych cząstek elementarnych w stanie swobodnym. Skąd się wzięła? Cóż, to jedno z tych pytań… Zgodzimy się, że zagęszczenie energii we wczesnym wszechświecie było wysokie. A tam gdzie dużo energii, tam powstają cząstki… Nie będę tego tematu dalej rozgrzebywał.

Wszechświat był wtedy prostszy, co nie znaczy że był spokojnym miejscem.

Wszystkie cząstki nieustannie zderzały się ze sobą, wytwarzając nowe. Część z nich była przedstawicielami antymaterii, które anihilowały ze swoimi materialnymi bliźniakami oddając energię. Z niej, powstawały nowe cząstki, które znowu się zderzały i tak dalej. Jeden wielki chaos. Morze cząstek swobodnych, nieustannie oddziałowujących ze sobą, zderzających się, powodujących produkcję nowych. Fabryka wczesnego wszechświata.

W miarę upływu czasu wszechświat się rozszerzał i ochładzał, zagęszczenie energii na jednostkę powierzchni było coraz mniejsze. Energia cząstek malała.

W dzisiejszych czasach, plazma kwarkowo-gluonowa występuje w zasadzie tylko w akceleratorach. W przyrodzie, kwarki zawsze łączą się w grupy tworząc cząstki zwane hadronami. Hadrony które składają się z trzech kwarków, nazywamy barionami. I właśnie jednym z barionów jest proton.

Praktycznie wszystkie hadrony, oprócz protonu i neutronu, są niestabilne. Istnieją tylko przez ułamek sekundy, po czym zamieniają się w inne, lżejsze cząstki. W dzisiejszym wszechświecie są właściwie niespotykane (powstają tylko w wyniku zderzeń).

Siła, która spaja kwarki w hadrony, nazywana jest oddziaływaniem silnym. Jest to jedno z czterech podstawowych oddziaływań przyrody obok elektromagnetycznego, grawitacyjnego oraz słabego. Jego nośnikiem jest gluon.

Jaka sama nazwa wskazuje, oddziaływanie silne jest… silne, najmocniejsze ze wszystkich. Niezwykle trudno jest rozdzielić połączone ze sobą kwarki. Natura oddziaływania silnego jest nieco inna niż grawitacyjnego czy elektromagnetycznego. W przeciwieństwie do powyższych, jego siła rośnie wraz z odległością. Jest to trochę sprzeczne z naszą intuicją. Przykładowo, jeśli zbliżymy blisko dwa magnesy, wyraźnie poczujemy siłę przyciągającą lub odpychającą je od siebie, w zależności którą stroną je przykładamy. Kiedy magnesy są od siebie daleko, żadna siła nie jest wyczuwalna. Dzieje się tak dlatego, że siła oddziaływania elektromagnetycznego maleje wraz z kwadratem odległości. Pojmujemy to raczej intuicyjnie.

W przypadku oddziaływania silnego jest inaczej. Kwarki znajdujące się blisko siebie, prawie nie wyczuwają swojej obecności. Działająca na nie siła jest minimalna. Natomiast, jeśli spróbujemy je rozdzielić, to musimy się liczyć z dużym oporem, rosnącym wraz z odległością. To tak jakby kwarki były połączone ze sobą gumką.

No ale załóżmy, że jesteśmy wyjątkowo uparci i próbujemy rozdzielić te kwarki. Odciągamy je od siebie, co wymaga coraz to większej energii. W pewnym momencie, energia włożona w ten proces jest już tak duża, że powoduje spontaniczne wytworzenie się nowych kwarków. W efekcie, zamiast rozerwania jednego protonu, otrzymamy dwa protony. Prawa fizyki w wyjątkowo sprytny sposób nie pozwalają na istnienie samotnych kwarków^[9]. Te są zawsze zamknięte w hadronach.

Z jednym wyjątkiem. Wróćmy do plazmy-kwarkowo gluonowej z początku istnienia wszechświata. Wszystkie kwarki istniały wtedy w ogromnym zagęszczeniu. Były bardzo blisko siebie, dlatego prawie nie odczuwały swojej obecności. Możemy sobie je wyobrazić, jakby były częścią jednego wielkiego hadronu rozciągniętego na cały wszechświat. Ale do czasu.

Około 0.02 milisekundy^[10], wszechświat, w swojej nieustannej ekspansji, rozszerzył się już na tyle, by odległości między kwarkami stały się stosunkowo duże. Wtedy oddziaływanie silne mogło zaznaczyć swoją obecność. Kwarki połączyły się w hadrony. A te najbardziej nas interesujące to protony i neutrony.

Podsumujmy stan wszechświata na ten moment:

• Kwarki zostały uwięzione w hadronach za pomocą oddziaływania silnego przenoszonego przez gluony. Jako że większość hadronów jest niestabilna, to po chwili na placu boju zostaną tylko protony i neutrony.
• Wszechświat wypełniają jeszcze inne cząstki, takie jak elektrony czy neutrina. Co więcej ich energia spoczynkowa jest tak mała, że dzięki nieuniknionym kolizjom, cały czas trwa produkcja ich par. Jeszcze przez jakiś czas.
• Wszędzie latają wszechobecne fotony.

Nukleosynteza

A więc mamy wszechświat wypełniony protonami oraz neutronami (oraz innym śmieciem). Na każdy neutron przypada mniej więcej 6 protonów^[11]. Dlaczego tak się dzieje? Masa neutronu jest nieznacznie większa od protonu (938.27 MeV do 939.56 MeV )^[4]. Dlatego minimalnie trudniej je wyprodukować. W czasie gdy energia cząstek była duża, nie miało to większego znaczenia. Ale w miarę ochładzania wszechświata, tak niewielkie różnice zaczęły być widoczne^[12].

Swobodne neutrony i protony bardzo chętnie łączą się ze sobą, tworząc jądra przyszłych pierwiastków. Głównym odpowiedzialnym, jest ponownie oddziaływanie silne. Podobnie jak łączyło kwarki wewnątrz hadronu, tak samo łączy hadrony ze sobą tworząc jądra atomowe. Oddziaływanie silne, niejako „wycieka” poza obszar hadronu i przyłączą kolegów. Należy zaznaczyć, że z trochę mniejszą siłą. Zdecydowanie łatwiej jest oderwać jeden hadron od drugiego (np. proton od protonu), niż zniszczyć wiązania pomiędzy kwarkami.

Z tego też powodu, pierwsze konstrukcje złożone z protonu i neutronu, bardzo łatwo są niszczone przez zderzające się z nimi inne cząsteczki. Głównie fotony. Dlatego musimy poczekać jeszcze chwileczkę, mniej więcej do 10 sekund^[10] po Wielkim Wybuchu, by średnia energia cząsteczek zmalała do wartości uniemożliwiającej rozerwanie świeżo powstałego konstruktu.

Ale szczęśliwie 10 sekund już minęło. Zdecydowana większość neutronów połączyła się protonami i lata sobie swobodnie po wszechświecie. Do powstałej cząstki proton-neutron może dołączyć się kolejny neutron. Rodzi się cząsteczka składająca się dwóch neutronów i jednego protonu.

Również nic nie stoi na przeszkodzie, by proton połączył się protonem. To także może mieć miejsce. Z tym że, w tym wypadku powstała cząsteczka (bez neutronów) jest nietrwała i po chwili się rozlatuje. Nie będę się tutaj wgłębiał w szczegóły, z powodu i tak nadmiernego skomplikowania materiału. Zainteresowani mogą poczytać trochę o rozpadzie beta plus na Wikipedii. Ja napiszę tylko, że głównym produktem rozpadu jest proton złączony z neutronem. Czyli ta sama konstrukcja którą już omówiliśmy.

Podsumujmy stan wszechświata:

• Duża ilość swobodnych protonów. Czyli jądro najprostszego pierwiastka – wodoru.
• Trochę protonów połączonych z neutronami (jednym lub dwoma). To też jądra wodoru, tylko jego izotopów (deuteru i trytu).
• Elektrony, neutrina. Ich produkcja powoli wygasa.
• Fotony.

Na tą chwilę mamy tylko jądra wodoru. Ale w dzisiejszym wszechświecie występują także inne pierwiastki, jak powstały ich jądra?

Uważni czytelnicy mogli zauważyć, że na krótką chwilę powstały już jądra helu. Przecież proton połączony z protonem to nic innego niż jądro helu. To że rozleciał się po chwili na proton i neutron to inna sprawa. Niemniej przez chwilę mógł istnieć.

Jednak nam potrzeba takiego jądra helu, które jest stabilne.

Daleko nie trzeba szukać. Cząsteczka proton-neutron złączona z pojedynczym protonem także tworzy jądro helu. Co więcej, taka konstrukcja jest już stabilna, może istnieć samodzielnie.

Podobnie jak dwie cząsteczki proton-neutron połączone ze sobą. To też jest stabilne jądro helu, co więcej, jest to najpowszechniejszy izotop helu we wszechświecie.

Jak widać, cząsteczki mogą się łączyć w różnych konfiguracjach. Byle tylko końcowy konstrukt był stabilny. Nie ma sensu analizować tutaj wszystkich możliwości. Na poniższej animacji zaprezentuję tylko najpopularniejszy sposób prowadzący do powstania jądra helu we wczesnym wszechświecie.

To hel mamy. Ale co z resztą? Żelazo, tlen, złoto? Gdzie one?

Otóż nie ma. Chwilę po Wielkim Wybuchu powstała jeszcze minimalna ilość kolejnego pierwiastka układu okresowego. Składającego się z trzech protonów (+ neutrony) litu. W podobny sposób do poprzednich, czyli łączenie prostszych (lżejszych) jąder w bardziej złożone (cięższe). Nawiasem mówiąc taki proces nazywamy fuzją jądrową.

Natomiast praktycznie wszystkie inne pierwiastki, narodziły się znacznie później. W rozpalonych wnętrzach gwiazd. Ale to już inny temat.

No dobra, ale dlaczego już w pierwszych chwilach wszechświata nie powstały cięższe pierwiastki? Następny w układzie okresowy jest beryl. Jego pierwszy stabilny izotop, składa się z 4 protonów i 5 neutronów. Ze składników znajdujących się we wczesnym wszechświecie, taka kombinacja nie była możliwa do uzyskania. Co prawda powstało trochę berylu składającego się z 4 protonów i 3 neutronów. Ale ten izotop jest niestabilny i rozpada się do litu.

Istnieje także inny powód, trochę prostszy do zrozumienia. Tłumaczący także, dlaczego w dzisiejszym wszechświecie jądra pierwiastków nie łączą się ze sobą tak łatwo.

Na razie wszystko wydawało się proste. Proton podlatuje do neutronu i te łączą się sobą dzięki oddziaływaniu silnemu bez żadnego oporu. I rzeczywiście, jest to bezproblemowa reakcja, mająca miejsce także dzisiaj, w zwyczajnych warunkach.

Ale rozważmy zbliżenie protonu z protonem. Te cząsteczki połączyć znacznie trudniej.

A to wszystko przez oddziaływanie elektromagnetyczne. Proton ma dodatni ładunek elektryczny. A jak wiemy z fizyki, jednoimienne ładunki się odpychają. Dwa protony zbliżone do siebie, zaczną stawiać opór. Oddziaływanie elektromagnetyczne działa na większy dystans niż oddziaływanie silne. Aby protony mogły się połączyć, muszą poruszać się z dużą prędkością (mieć dużą energię) by przełamać barierę oddziaływania elektromagnetycznego. Dopiero, gdy będą się praktycznie stykać, oddziaływanie silne je zwiąże.

Z połączeniem protonu z neutronem jest prościej. Neutron ma neutralny ładunek elektryczny. Nie ma potrzeby przezwyciężania sił elektromagnetycznych.

Zauważmy, że skala trudności rośnie dla cięższych pierwiastków. Jądro helu, zbudowane z dwóch protonów, ma podwojony dodatni ładunek elektryczny. Stawia dwukrotnie większy opór. Dlatego połączenie jądra z helu z drugim jądrem helu wymaga znacznie większej energii cząstek. Następne jądra atomowe pierwiastków mają jeszcze gorzej. Im więcej protonów zawierają, tym gorzej się łączą.

Choć energia cząstek we wczesnym wszechświecie była wystarczająca do wytworzenia helu i minimalnej ilości litu. To była za mała dla prawie wszystkich cięższych pierwiastków.

Co więcej, w miarę upływu czasu energia cząstek maleje. W końcu staję się niewystarczająca do wytworzenia nawet helu. Po mniej więcej 3 minutach^[13] od Wielkiego Wybuchu proces fuzji jąder pierwiastków ustaje. Skład pierwotnego wszechświata zostaje ustalony.

Fuzja lekkich pierwiastków rozpocznie się na nowo dopiero we wnętrzu gwiazd. Wtedy powstaną cięższe pierwiastki. Ale do tego jeszcze trochę czasu.

Więc podsumujmy wszechświat po procesie nukleosyntezy (stworzenia jąder atomów):

• Większość jąder przyszłych pierwiastków stanowią pojedyncze protony, czyli jądra wodoru. Prawie 75% całości^[11]
• 25% stanowią jądra helu^[11]
• Nieznaczna ilość jąder litu. Na każde jądro tego pierwiastka, przypada ponad 10 miliardów jąder wodoru.^[11]
• Dalej duża ilość swobodnych elektronów, a jeszcze większa neutrin
• No i fotony

Ostatnie rozproszenie (rekombinacja)

Zauważmy, że dalej nie mamy atomów. Są już ich jądra, ale do stworzenia prawdziwego atomu potrzebny jest jeszcze elektron. Na chłopski rozum to połączenie powinno już nastąpić.

Jądro atomowe ma dodatni ładunek elektryczny, natomiast elektron ujemny. Różnoimienne ładunki się przyciągają. Nic nie powinno stać na przeszkodzie by elektron wskoczył na orbitę atomu.

No właśnie, ale wszechświat musi poczekać aż 370 tysięcy lat^[13], by jądra atomowe przyłączyły elektrony.

Znowu winna jest energia cząstek, tym razem zbyt wysoka. W szczególności elektronów. Poruszają się one za szybko, by mogły zostać przejęte przez jądra.

To tak, jakby spróbować złapać w rękę przelatujący obok pocisk. Nie da rady, a jeszcze można sobie urwać to i owo. Siła oddziaływania elektromagnetycznego jest zbyt niska by przechwycić przelatujący elektron. Potrzeba czasu (370 tysięcy lat), by średnia energia cząstek zmalała do tego stopnia, by mogły powstać prawdziwe atomy.

Ostatnie podsumowanie:

• Elektrony połączyły się jądrami tworząc atomy, swobodnie unoszące się we wszechświecie
• Zdecydowana większość to atomy wodoru, około 4 razy mniej atomów helu i szczątkowe atomy litu
• Duża ilość swobodnych neutrin
• I jeszcze więcej fotonów, które od tej pory mogą swobodnie się przemieszczać po wszechświecie. Przez jakiś czas tworzą lekko czerwoną poświatę. Dlaczego? To już temat na inny artykuł.

Teraz wszechświat wkracza w dość nudny okres, określany jako „wieki ciemne”. Przestrzeń wypełniają chmury wodoru i helu, które powolutku, acz nieubłaganie zbliżają się do siebie dzięki grawitacji.

Powstają gigantyczne skupiska gazów, które już za setki milionów lat rozbłysną blaskiem, jako pierwsze gwiazdy.