The Big Bang – en øjenvidneberetning

Der var engang, for næsten 14 milliarder år siden, en spektakulær begivenhed fandt sted.

Universet og alt hvad det indeholder, herunder stof, stråling, eksotiske partikler, og måske endnu mere abstrakte begreber som tid og fysiske love, opstod.

Ved at studere, hvordan universet har udviklet sig gennem tiden, det er muligt at "beregne baglæns" og danne et billede af de fysiske forhold en milliard år, tusind år, en dag, et sekund, eller et nanosekund efter Big Bang. Jo længere tilbage i tiden, jo mere ekstreme forholdene var, og jo hurtigere universet udviklede sig.

Men én ting er at forstå ligningerne, der beskriver temperaturen, eller skabelsen af ​​nye partikler, eller noget andet. Hvordan ville det føles at være vidne til det? Hvordan ville det se ud? Hvad ville du opleve?

Lad os finde ud af det. Vi skal først udstyre vores observatør - lad os kalde hende Alice, som jeg i øjeblikket lytter til sangen "Alice" af Tom Waits, og da det er et populært navn for ofre for tankeeksperimenter — med en magisk rumdragt ^TM , kan modstå ekstrem varme, tryk, massefylde, stråling, og strække. Hun skal også bruge et par solbriller, for indtil universet var en million år gammelt var det blændende lyst.

Du kan følge Alices rejse i den interaktive grafik herunder. Men inden vi tager afsted, vi skal etablere et par ting.

Hvordan ved vi, hvad der skete?

Fordi lys ikke rejser uendeligt hurtigt, vi ser alt, som det var før i tiden. Når du tjekker din telefon, du kigger et nanosekund tilbage i tiden, da det er hvor lang tid det tog lyspartiklerne at rejse 30 centimeter. Når du ser på månen, du ser et godt sekund tilbage i tiden, fordi månen er 400, 000 kilometer væk. Og når du observerer en galakse en milliard lysår væk, du ser faktisk en milliard år tilbage i tiden.

Vi kan måle tætheden, temperatur, og andre fysiske størrelser af universet. At observere galaksernes hastighed fortæller os, at universet udvider sig. Hvis vi regner baglæns, vi kan regne de fysiske forhold ud i tidligere epoker.

På denne måde vi er faktisk ret sikre på, hvad der skete helt tilbage til mindre end et sekund efter Big Bang. Dette skyldes, at vi ikke kun kan beregne, men også udføre eksperimenter i enorme partikelacceleratorer som CERN, at genskabe de forhold, der herskede på det tidspunkt, og bekræfte, at vi ikke tager helt fejl.

Men vi ved ikke noget om den allerførste brøkdel af en brøkdel af et sekund - den såkaldte "Planck-epoke". På dette tidspunkt, forholdene var så ekstreme, at fysiske love bryder sammen. Måske giver det ikke engang mening at tale om rum og tid på dette tidspunkt i universets historie. Hvor stort er universet?

Uendelig... Måske...

Vi ved ikke, hvor stort universet er. Vi kan kun se den del af den, hvorfra lyset har haft tid til at nå os. Denne del kaldes "det observerbare univers, "og fordi universet er 13,8 milliarder år gammelt, du tror måske, at vi kan se 13,8 lysår i alle retninger. Men fordi det udvider sig, den er noget større, faktisk godt 46 milliarder lysår.

Vi antager, selvom vi ikke er sikre, at universet uden for vores lille boble fortsætter for evigt. Hvis det er sandt, så var den "født" uendelig stor. Selvom det faktisk giver fysisk mening at tale om et uendeligt stort univers, der vokser eller skrumper, det er utvivlsomt svært at visualisere. Så vi overvejer normalt størrelsen af ​​det observerbare univers i stedet.

Det er vigtigt at vide, uanset universets størrelse, Big Bang var ikke en "eksplosion" i den forstand, at en tæt klump af stof begyndte at sprede sig ud gennem rummet. Hellere, det var skabelsen af ​​rummet, og måske selve tiden, og den efterfølgende udvidelse af dette rum.

Dette rejser spørgsmålet, "hvad udvider den sig i?" og "hvad er der udenfor?" Det er svært at forestille sig et uendeligt univers udvide sig, endsige et begrænset univers, der ikke er indlejret i et eller andet større dimensionelt rum. Men ikke desto mindre, det er det, vi tror, ​​der sker. Med andre ord, den udvider simpelthen "i sig selv".

Nu, med "Kosmologi 101 'ude af vejen, lad os slutte os til Alice igen, da hun starter sin rejse.

Inflation i mørke

Som nævnt ovenfor, vi ved ikke noget om det allerførste splitsekund. Vi ved, imidlertid, at alt var ekstremt tæt, fordi det, der senere bliver vores observerbare univers, på dette tidspunkt er mindre end en atomkerne.

Først, tyngdekraften skabes, og så den "stærke" atomkraft. Nogle eksotiske partikler udfældes fra denne ekstreme energitæthed, inklusive Higgs boson, som er ansvarlig for selve massebegrebet.

Men i første omgang, Alice sætter ikke pris på noget af dette inferno. Lys er endnu ikke blevet skabt, så til hende, alt er mørkt.

Pludselig, selve rummet begynder at udvide sig eksponentielt hurtigt.

Denne æra kaldes "inflation, "og når det går i stå, hvad der senere vil blive det observerbare univers har, på et splitsekund, vokset fra at være mindre end en atomkerne til 20 meter i diameter. Det er stadig kun på størrelse med et hus, men relativt set er universet vokset lige så meget i løbet af denne brøkdel af et sekund, som det har været siden.

Uanset hvad der er i rummet, skal følge udvidelsen. Bortset fra Alices magiske rumdragt selvfølgelig, og hvilket held, fordi uden det hendes hoved og fødder, som på dette tidspunkt er meget større end det observerbare univers, ville blive revet 20 milliarder lysår fra hinanden.

Efter inflation, alt fortsætter med at udvide sig. På samme tid, temperaturen falder. Det er ligesom når gassen fra en slukket lighter føles kold:Gassen komprimeres inde i lighteren, men når den slipper ud, det udvider og køler.

… og der var lys

Under inflation, universet underafkøles kortvarigt fra en milliard milliarder milliarder grader, til næsten det absolutte nul. Men når inflationen er forbi, ligesom Alice tænker "Brrr... måske bliver det lidt for koldt, " den såkaldte genopvarmningsproces øger temperaturen igen til 10 milliarder billioner grader. På dette tidspunkt, nye arter af partikler skabes, herunder lys i form af fotoner.

Fordi temperaturen er så utrolig høj, alle partikler er meget energirige, og langt de fleste fotoner er derfor gammastråler. Men en lille del af lysspektret strækker sig over røntgenstråler, ultraviolet lys, og synligt lys, som er af størst interesse for Alice.

Så, hvad er den første farve, som Alice observerer? Hvad var farven på Big Bang?

Udtrykket "farve" er i virkeligheden et psykologisk begreb. Den farve, som hjernen opfatter, afhænger af fordelingen af ​​lys i de tre bølgelængdeområder, der registreres af øjnenes kegler, nemlig rød, grøn, og blå.

Hvis noget udsender lys, fordi det er varmt, du kan beregne dets spektrum og efterfølgende regne dets farve ud i rødt, grøn, og blå. Alice selv er ikke så varm, så hun udsender for det meste i det energisvage infrarøde lys, og et menneskeligt øje er ikke følsomt nok til at opfatte den lille del af det, der sidder i det synlige spektrum.

Et stykke varmt, glødejern udsender mest i det røde. Hvis det bliver rigtig varmt, det udsender nogenlunde lige meget i både rødt, grøn, og blå, og det tolkes af hjernen som "hvidt lys".

Hvis temperaturen er tilstrækkelig høj, spektret topper i det blå, og på grænsen af ​​en uendelig temperatur, farven nærmer sig en safirblå nuance.

Dermed, hvad Alice ser omkring sig er safirblå af denne varme kvark-gluon plasmasuppe, som vist på billedet herunder.

Alices rumdragt er naturligvis udstyret med en elektronisk farvemåler, og hun måler universets farvemætning til at være 63 procent, 71 pct. og 100 procent i rødt, grøn, og blå, henholdsvis.

Det er, hun ville, hvis det havde virket, men universet er stadig kun 1/100 af en milliontedel af en trilliontedel af en billiontedel af en anden gammel, og elektricitet findes endnu ikke.

Alice skal vente et helt picosekund (0,000000000001 sekunder), før den elektromagnetiske kraft skabes. Det lyder måske ikke som en lang ventetid men som med alt i rum og tid, det hele er relativt. For Alice, denne ekstra ventetid er lig med hundrede quintillioner gange længere end hele hendes rejsetid hidtil.

Alice tager på i vægt

På dette tidspunkt, den "svage" kraft skabes også. Det betyder, at alle fire kræfter i universet nu er etableret, de andre tre er den elektromagnetiske kraft, tyngdekraft, og den "stærke" kraft.

Strengt taget, alle disse kræfter eksisterede allerede, men de blev slået sammen som én samlet styrke, indtil de begyndte at adskilles i deres "individuelle" styrker.

Med disse fire kræfter på plads, partikler kan nu interagere med Higgs-bosonen og dermed få masse. For Alice, det betyder, at hun nu vejer noget. Men da perverse modestandarder ikke vil eksistere i yderligere 13,8 milliarder år, hun er ikke så generet over denne pludselige vægtøgning.

Klumper i suppen

Alices omgivelser er ret kedelige; alt er fuldstændig jævnt fordelt, så uanset hvor hun kigger hen, hun ser det samme.

Men vent... små uregelmæssigheder dannes af det kvantemekaniske usikkerhedsprincip, som siger, at der er en grundlæggende nedre grænse, i forhold til, hvor præcis det giver mening at være, når man taler om et objekts position.

Kvantemekanik beskriver processer i meget lille skala, fra størrelsen af ​​atomer og derunder. Men på grund af den ekstreme ekspansion, de små inhomogeniteter pumpes op til betydelige proportioner.

Og hvilket held. Havde alt været helt glat, det ville for evigt forblive sådan. Men i stedet, der findes altid så små klumper, der vejer en lille smule mere end deres omgivelser og derfor kan trække på lidt mere stof. Dette giver dem mulighed for at vokse og til sidst danne den struktur i universet, der bliver til galakser, stjerner, planeter, og i sidste ende, os.

Mørkt stof til undsætning

Men er stof i stand til at klumpe sig tilstrækkeligt, før ekspansion trækker det for langt fra hinanden? (Spoiler -advarsel:Ja, ellers ville du ikke læse dette.)

Rent faktisk, hvis den eneste sag, der eksisterede, var de ting, som Alice kan se, så kunne dette ikke ske. Men heldigvis for hvert gram stof er der omtrent fem gram af en anden, usynligt stof, der giver den ekstra tyngdekraft, der er nødvendig for at lade stof klumpe sammen. Vi kalder dette, mørkt stof.

Universet er nu afkølet til 10 millioner milliarder grader og er nogenlunde lige så stort som afstanden fra Jorden til Solen i dag. Den klump, der en dag vil blive til Mælkevejen, er 100 kilometer i radius, nogenlunde på størrelse med Sierra Leone.

Universet bremser

Universet bliver ved med at udvide sig på grund af den hastighed, det opnår ved inflation, men ekspansionshastigheden aftager langsomt på grund af den gensidige tiltrækning af alle partikler.

Imidlertid, selv et helt nanosekund efter Big Bang, udvidelsen er så hurtig, at objekter mere end en meter væk fra Alice, bevæger sig væk fra hende hurtigere end lysets hastighed. Bare et mikrosekund senere, det er koldt nok til, at kvarker er smeltet sammen til dannelse af neutroner og protoner.

Universet er nu på størrelse med solsystemet, men tætheden af ​​stof og stråling er stadig 1, 000 gange højere end en neutronstjerne, den mest kompakte ting, der findes i dag.

Onde tvillinger

Alice ser nu ikke kun partikler, men også antipartikler, der opstår.

En antipartikel er som partikelens onde tvilling, og hvis en partikel møder sin antipartikel, ophører de begge med at eksistere, og nye partikler skabes. Nogle af disse nye partikler er fotoner - lys.

Af grunde, som vi endnu ikke forstår, for hver 10 milliarder antipartikler, der eksisterede, var der 10 milliarder og en partikel, Giv eller tag.

I en stor alder af et sekund, universet er nu svulmet op til 10 lysår i radius, og alle antiprotoner er blevet tilintetgjort med protoner, antineutroner med neutroner, og så videre. Det lille overskud af "normale" partikler er det, der i dag omfatter det synlige kosmos.

Varmt og lyst, med risiko for tåge

Yderligere ti sekunder går, og elektroner og antielektroner er oppe. Universet er nu afkølet til et par milliarder grader, men da 99,99999999 procent af alle partikler omdannes til rent lys, universet flammer pludselig med et blændende lys.

I begyndelsen af ​​denne partikel-spiser-partikel inferno, tætheden er så høj, at Alice bogstaveligt talt ikke kan se en hånd foran sit ansigt, da lyset konstant spredes af elektronerne.

Men da lige pludselig størstedelen af ​​elektronerne forsvinder ind i det (safir) blå, sigtbarheden øges til... trommerulle tak... hvor stor kan den være? En gazillion lysår?. Ah, ingen, 20 meter. Ikke særlig imponerende. Men det betyder egentlig ikke noget, da der alligevel ikke er så meget at se endnu:Bag det tågede slør er det, godt, bare mere af det samme.

Efter et par minutter, temperaturen er faldet til under en milliard grader, og en vigtig epoke i universets historie starter - nukleosyntese. Det er nu koldt nok til at protoner, som faktisk er det samme som brint, smelter for at danne tungere elementer.

Ak, lykke er kortvarig:Universets tæthed falder på grund af ekspansion, og 15 minutter gammel, den har omtrent samme tæthed som vand på Jorden. Nukleosyntesen er ved at være slut.

Indtil nu, kun helium og en lille smule lithium har nået at dannes. Alle de tungere atomer vil ikke blive dannet i hundredvis af millioner af år, i stjerner og deres dødseksplosioner.

Det er det, folkens. Efter blot et kvarter, Big Bang er forbi, og nu sker der ikke meget i tusinder af år.

Hver gang et neutralt atom forsøger at dannes, elektronen bliver straks revet af af en meget energisk foton. Men ved 380, 000 år gammel, universets temperatur er faldet til 3, 000 grader, har fået en flot orange-rød farvetone, og er kold nok til at brintatomer kan forblive neutrale.

Følgelig, det tågede elektronslør løftes, og lys undslipper – afkobles – fra stoffet.

Eftergløden fra Big Bang

Universet er nu næsten en million lysår i diameter, og lyset strømmer frit gennem hele universet, som det har gjort siden.

De stofklumper, som Alice så danne sig, er blevet større, men er på tidspunktet for afkoblingen stadig meget små; de tætteste områder er 1/100, 000 gange tættere end de mest fortyndede områder. Alligevel, dette er nok til, at den stråling, der frigives, ikke udviser samme bølgelængde overalt.

Og dette lys - den lidt uregelmæssige efterglød af Big Bang, kendt som "den kosmiske mikrobølgebaggrund" - er nu det fjerneste, vi er i stand til at se. Meget af det, vi ved om Big Bang, og universet generelt, vi har fået ud af at studere dette lys.

Big Bang tidslinje (og universets historie)

Alice har haft sit livs tid og kan nu lægge sin rumdragt og solbriller tilbage på hylden.

Hvis du i mellemtiden har mistet overblikket over tid og rum, du finder en udvidet grafisk tidslinje for Big Bang (og resten af ​​universets historie) her.

Mens jeg skrev denne artikel, har jeg skrevet en kode kaldet tidslinje, som beregner egenskaberne (størrelse, temperatur, farve, ekspansionshastighed, og mere) af universet på forskellige tidspunkter i dets historie. Koden er skrevet på sproget Python, og kan hentes her.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra ScienceNordic, den pålidelige kilde til engelsksprogede videnskabsnyheder fra de nordiske lande. Læs den originale historie her.