Apie Visatą. Pirma dalis [lietuviškai]

BUM!

Mažytis šviesos žybsnis atsiranda iš niekur. Koks mažas bebūtų, jis talpina viską.

FFFCH!

Blyksnis lekia pro šalį pasiutusiu greičiu, fotonai lenktyniauja tarpusavy ir su pačia erdve, bet tą kovą beviltiškai pralaimi.

Tos lenktynės trunka tiek trumpai, kad jei jų trukmė būtų pailginta iki akimirksnio, tikras akimirksnis užsitęstų ilgiau, nei gyvuoja Visata. Tokio laiko tarpo mes nei suvokti, nei juo labiau pamatyti, nesugebame. Bet jei ne tos lenktynės, Visata būtų visiškai kitokia.

Prabėgus vienai kitai amžinybei, bet vis dar mažiau nei akimirksniui nuo lenktynių pabaigos, atsiranda daiktai. Tai, kas iš pradžių buvo vientisa, suskyla į dalis. Tos dalys skraido erdvėje, trankosi vienos į kitas, jungiasi, kabinasi, auga.

Taip prabėga akimirksnis, prabėga ir žmogaus gyvenimo laikas. Bet procesas nesiliauja. Viskas plečiasi, nors ir toli gražu nebe taip greitai, kaip pirmykštėse lenktynėse. Dalelės skrajoja, jungiasi ir toliau. Tiesa, jų tėra tik keletas rūšių, kitoms susiformuoti prireiks daugybės laiko.

O tada vėl tyla. Ir tamsa.

Arba šviesa. Čia jau žiūrint kaip pažiūrėsi. Šviesos labai daug, tačiau jai nėra nuo ko atsispindėti, todėl bet kokiam stebėtojui Visata atrodytų tamsi ir tuščia.

Po dar vienos amžinybės pasigirsta naujas BUM! – užgimė pirmasis kitoks šviesos šaltinis.

Bet ir po šio įvykio prireikia dar vienos ar kelių amžinybių, kol viename nereikšmingame uolos luite, besisukančiame aplink vieną iš nesuskaičiuojamos daugybės šviesulių, iš olos išlenda pirmoji būtybė, pasižiūri sau virš galvos ir paklausia: „O iš kur visa tai?“

* Pasakotojas atsilošia krėsle, gurkšteli arbatos ir lukteli *

Na ką gi, kvaila pradžia – pusė darbo. Dabar apie visa tai truputį aiškiau. Sveiki atsivilkę į rašinėlių ciklą „Apie Visatą“. Čia yra

 

 

Pirma dalis. Nuo ko viskas prasidėjo?

Nors pirminė įžanga šiokia tokia lyg ir yra, norėtųsi ir kažkiek rimtesnės. Taigi trumpai įžengsiu šiuos straipsnius. Iš esmės juose žadu parašyti lygiai tą patį, ką ir angliškuose variantuose, tad jei skaitėte visus angliškus ir viską supratote, čia turbūt nieko naujo nesužinosite. Iš kitos pusės, beskaitydamas originalius tekstus, randu įvairių keistenybių ir galimybių pagerinti minčių eigą, dėstymą ir panašiai. Taigi atskirų punktų išdėstymas gali skirtis, bet milžiniškų skirtumų būti neturėtų. Vis tiek pradėsiu nuo Didžiojo sprogimo (kurį kartais vadinu Didžiuoju bum), o baigsiu istorine kosmologijos teorijų apžvalga. Dar vienas svarbus punktas – beveik viską rašau „iš atminties“, kartais pasitikslinu tik kai kuriuos skaičius, todėl gali pasitaikyti smulkių klaidelių ar nepilnų paaiškinimų. Susidaryti bendrą vaizdą tai neturėtų trukdyti, bet mane cituoti neskubėkite :).

Įžanga baigėsi, metas pereiti prie reikalo esmės. Atsakymas į pavadinime esantį klausimą labai paprastas – viskas prasidėjo nuo Didžiojo sprogimo. Tiesa, turiu priminti, jog tai yra tik teorija, kuri, nors ir labai gerai paaiškina matomus reiškinius bei duoda pakankamą kiekį patikrinamų spėjimų, visiškai nebūtinai yra teisinga. Be to, kai kurie jos paaiškinimai yra „rašyti šakėmis ant vandens“, tad pokyčių ateityje beveik neabejotinai atsiras – ar tai būtų tiesiog geresni paaiškinimai, ar visai perrašytos teorijos dalys. Vis dėlto visi Didžiojo sprogimo teorijos konkurentai yra žymiai prastesni ir vienas po kito buvo paneigti, taigi apie juos pakalbėsiu tik istorinės apžvalgos rašinyje. Dar vienas svarbus dalykas yra tas, kad Didžiojo sprogimo teorija neaiškina nieko, kas buvo ar nebuvo prieš patį sprogimą. Taip pat ji kol kas negali paaiškinti, kas įvyko pirmąją 10^(-43) sekundės dalį Visatos egzistavimo pradžioje, nes tuo metu temperatūra ir tankis turėjo būti tokie dideli, kad mums žinomi fizikos dėsniai negaliojo.

Gerai, pagaliau galiu pradėti rašyti kažką į temą. Didžiojo sprogimo teorija, priklausomai nuo to, ko paklausite, aiškina arba tik Visatos pradžią (patį sprogimą), arba šiek tiek daugiau (pirmas kelias sekundes, kai susiformavo pagrindiniai fizikos dėsniai ir kertinės dalelės), arba dar daugiau (Visatos evoliuciją nuo atsiradimo iki dabar ir į ateitį – tiek aprėpianti teorija tiksliau būtų vadinama Konkordatiniu modeliu arba Lambda-CDM kosmologija). Šiame straipsnyje pasistengsiu aprėpti tai, kas priskiriama Didžiajam sprogimui pagal vidurinį variantą.

Taigi. Pradžioje nebuvo nieko. Tiksliau sakant, gal kažkas ir buvo, bet nieko apie tai sužinoti bent kol kas tikrai negalime. Gaila, bet ką padarysi. Iš to „nieko“ atsirado „kažkas“ – begalinio tankio ir nulinio tūrio taškelis, kuris, veikiamas įvairių jėgų, ėmė plėstis. Tas taškelis ir yra Visata, o jo plėtimasis – Didysis sprogimas. Reiškinio pavadinimas sprogimu nėra visiškai tikslus, nes plėtėsi pati erdvė, už jos ribų nebuvo nieko. Prieš šio taškelio atsiradimą taip pat nebuvo nieko – mums žinomi (o gal ir nežinomi) erdvės bei laiko matmenys atsirado kartu su tuo taškeliu. Šį teiginį gana neblogai iliustruoja toks palyginimas: klausimas „kas buvo prieš Didįjį sprogimą“ prasmės turi tiek pat, kiek klausimas „Kas yra į šiaurę nuo šiaurės ašigalio“.

Kaip jau minėjau, pirmosios 10^(-43) sekundės dalys yra taip pat neaprašomos. Šios, vadinamosios Planko, epochos pabaigoje iš daugybės galimų dimensijų liko tik keturios (trys erdvės ir viena laiko), o kitos susitraukė į mažyčius kamuoliukus, apie kuriuos kalbama stygų teorijoje. Taip pat tuo metu pradėjo skaidytis fundamentaliosios sąveikos. Šiuo metu jos yra keturios – gravitacija, stiprioji branduolinė, silpnoji branduolinė ir elektromagnetizmas. Planko epochos pabaigoje gravitacija atsiskyrė nuo kitų trijų, kurios dar kurį laiką buvo neatskiriamos ir vadinamos elektrobranduoline sąveika. Tuo metu, teoretikų teigimu, Visatą sudarė beveik vientisa fotonų, neutrinų ir kvarkų „sriuba“. Fotonai, kaip turbūt žinote, yra šviesos dalelės. Neutrinai – labai lengvos (o galbūt ir visiškai masės neturinčios) dalelės, neturinčios elektros krūvio, tačiau daugeliu kitų savybių primenančios elektronus. Jos beveik nesąveikauja su „paprasta“ materija, taigi aptikti juos labai sudėtinga. Kvarkai, kurių yra šeši tipai, yra sudėtinės protonų, neutronų ir daugybės kitų egzotiškų nevisai elementarių dalelių dalys.

Tarpe šių trijų dalelių ir dviejų sąveikų buvo dar vienas dalykas, vadinamas vakuumo energija. Tai yra dar vienas sunkiai suvokiamas reiškinys, tačiau manoma, kad būtent dėl šios energijos Visata ėmė plėstis labai greitai. Ši infliacijos epocha truko nuo 10^(-36) iki 10^(-33) sekundės, bet per šį laiko tarpą Visatos tūris padidėjo 10^78 karto (ilgio parametras – tam tikras mastelis, nurodantis atstumų dydžius – išsitempė 10^26 karto). Palyginimui toks ilgių santykis yra panašus į atstumo nuo Žemės iki Saulės santykį su atomo branduolio skersmeniu. Taip, man šitai įsivaizduoti irgi sudėtinga. Infliacija yra bene labiausiai „šakėmis ant vandens“ rašyta teorijos dalis, bet ji puikiai paaiškina dvi problemas. Pirmoji problema yra ta, kad šiandieninė matoma Visata yra beveik vienoda visomis kryptimis (turiu omeny didelius mastelius, t.y. didesnius už galaktikų spiečius). Tai reiškia, kad visos Visatos dalys kažkada turėjo galėti kontaktuoti, bet jei infliacijos nebūtų buvę, tokį kontaktą galėtų turėti tik maždaug poros laipsnių skersmens apskritimai ant dangaus skliauto. Kita problema yra Visatos „plokštumas“ – visa erdvė yra beveik tiksliai „plokščia“, bet galbūt ne absoliučiai tiksliai. Visatai plečiantis be infliacijos, nuokrypiai nuo plokštumo tik didės, tad bet kokie minimalūs pradiniai nuokrypiai reikštų, kad šiandieninė Visata būtų visiškai ne plokščia. Infliacijos metu, priešingai, erdvė labai greitai artėja prie plokščios, taigi pradiniai netikslumai yra panaikinami ir Visata, plėsdamasi toliau, išlaiko plokštumą. Šie du paaiškinimai turbūt yra gana sudėtingi, bet jiems paaiškinti pilniau reikėtų viso atskiro straipsnio, kurį galbūt kada nors parašysiu.

Vykstant infliacijai, atsiskiria stiprioji ir elektrosilpnoji sąveikos. Dar po mikrosekundės atsiskiria elektromagnetinė ir silpnoji sąveikos. Tai sudaro sąlygas kvarkams „sukibti“ į poras bei trejetus – taip formuojasi protonai, neutronai ir visokios kitokios dalelės. Dauguma šių dalelių yra labai nestabilios ir per mažiau nei sekundę suskyla bei persiformuoja į tuos pačius protonus ir neutronus. Neutronai taip pat yra nestabilūs, bet jų skilimo pusamžis yra maždaug 10 minučių – gerokai daugiau, nei dabartinis Visatos amžius. Būtent protonai ir neutronai dalyvauja ankstyvosios Visatos nukleosintezei, kuri jau tuojau ir prasidės.

Pasibaigus infliacijai, Visata plėtėsi toliau, bet dabar plėtimąsi sąlygojo milžiniškas materijos ir spinduliuotės slėgis. Slėgis yra daugmaž tapatus energijos tankiui, t.y. energijos kiekiui tūrio vienete. Materijos energija, Visatai plečiantis, nekinta, taigi jos slėgis mažėja proporcingai ilgio parametro kubui. Spinduliuotės energija mažėja, nes ji yra atvirkščiai proporcinga spinduliuotės bangos ilgiui, o šis didėja kaip ir visi kiti ilgiai. Taigi spinduliuotės slėgis mažėja proporcingai ilgio parametro ketvirtam laipsniui. Temperatūra taip pat krenta, nes ji yra tiesiog proporcinga spinduliuotės energijai, bent jau pradiniame Visatos gyvavimo etape, kai šiluminė energija gerokai didesnė už visas kitas. Infliacijos pabaigoje temperatūra buvo maždaug 10^20 K, bet gana greitai ji sumažėja iki 10^12 K. Tokioje temperatūroje prasideda procesas, vadinamas porų gamyba. Du fotonai, turintys tiek energijos, atsitrenkę vienas į kitą, gali suformuoti elektroną ir jo antidalelę – pozitroną. Atsitrenkę vienas į kitą elektronas ir pozitronas gali išnykti ir virsti dviem fotonais – tai vadinama porų anihiliacija. Aišku, šis procesas vyko ir anksčiau, bet dėl gerokai didesnės temperatūros pagaminti elektronai ir pozitronai anihiliuodavo labai greitai, o jiems atsirasti tikimybė buvo mažesnė. Temperatūrai esant gerokai žemesnei, fotonų energija bus per maža ir jiems susidūrus elektronų-pozitronų poros neatsiras. Šis procesas vyksta neilgą laiko tarpą, praėjus maždaug vienai sekundei po Didžiojo sprogimo.

Po kelių minučių, temperatūra nukrenta iki „vos“ vieno milijardo kelvinų (10^9 K). Porų gamyba baigiasi ir prasideda branduolių sintezė. Visatos sąlygos yra panašios į žvaigždžių branduoliuose esančiąsias, tad ir procesai vyksta panašūs. Protonai ir neutronai sukimba į deuterio (sunkiojo vandens) branduolius; prie šių prikimba dar vienas protonas ir sudaro helio-3 branduolį; pagavęs dar vieną neutroną, jis tampa heliu-4. Kai kurie helio-4 branduoliai sugeba pagauti dar keletą protonų ir neutronų ir virsti ličio bei berilio branduoliais, bet jų yra labai nedaug, o sunkesnių elementų nėra išvis. Pozitronai ir kitos antidalelės išnyksta – mes tiksliai nežinome, kur jos pranyko ir kodėl pranyko būtent jos, o ne „normalios“ dalelės. Neutronai, esantys branduoliuose, protonais nebevirsta ir situacija, bent jau cheminiu-branduoliniu požiūriu, tampa stabili.

Šis stabilumas trunka maždaug 300 tūkstančių metų. Temperatūra ir toliau krenta, bet ji yra dar per didelė, kad leistų branduoliams „pagauti“ elektronus. Visata yra tarsi didžiulis plazmos (jonizuotų dujų) kamuolys. Kažkada tuo metu, maždaug 70 tūkstančių metų po Didžiojo sprogimo, spinduliuotės tankis tapo mažesnis už materijos tankį – Visata perėjo į materijos dominavimo epochą. Na o praėjus 379000 metų po Visatos atsiradimo, temperatūra staiga tapo pakankamai žema, kad dalelės galėtų rekombinuoti. Šis momentas vadinamas materijos-spinduliuotės atsiskyrimu. Visata tapo elektriškai neutrali bei optiškai reta – t.y. kuriame nors taške paleistas fotonas galėjo pralėkti didžiulius atstumus į nieką neatsitrenkdamas. Ir tada užslinko tamsa.

„Tamsa“ šiuo atveju yra sąlyginis terminas, nes fotonų Visatoje tikrai netrūko. Problema tik ta, kad jų buvo vienodas kiekis visomis kryptimis, taigi kur bepažvelgtum, viskas atrodė vienodai. Dalelių pamatyti buvo beveik neįmanoma, nes jos su fotonais reagavo labai menkai. Ši vientisa spinduliuotė, žinoma kaip kosminė foninė mikrobangė spinduliuotė, aptikta septintajame praėjusio amžiaus dešimtmetyje, yra bene geriausias Didžiojo sprogimo teorijos patvirtinimas. Be to, tai yra seniausias matomas reiškinys Visatoje, nes jis, tarsi kokia užuolaida, slepia visus ankstesnius įvykius.

Baigdamas šį rašinį, turiu priminti, jog visa tai, ką čia aprašiau, yra teorinė spekuliacija. Galbūt gerai paskaičiuota spekuliacija, bet vis tiek tik spėjimas. Stebėjimų duomenų, kaip minėjau, neturime ir negalime turėti. Sąlygos ankstyvojoje Visatoje buvo ekstremalios – milžiniškas tankis ir temperatūra – taigi gali būti, jog ir fizikos dėsniai galiojo ne visai tokie, kaip mes juos dabar suprantame. Galų gale net jei fizikos dėsniai ir buvo tokie, gali būti, kad tiesiog praleidžiame kažkokį svarbų aspektą ir mūsų teoriniai skaičiavimai yra visiškai klaidingi. Bet kuriuo atveju, ši teorija yra geriausia, ką turime, ir jos vystymas yra viena svarbiausių kosmologijos mokslo užduočių.

***

Nepraėjo nė mėnuo nuo tada, kai buvau pažadėjęs pradėti versti šituos straipsnius, ir tą jau padariau. Šitas tekstas gavosi gerokai trumpesnis už anglišką variantą, daugiausiai dėl to, kad pasistengiau sumažinti beletristikos ir daugiau kalbėti apie esmę. Savaitės bėgyje tikiuosi išversti antrąją dalį. Klausimų, komentarų ir pasiūlymų labai laukiu.

Laiqualasse

4 komentarai

  1. Su Big Bangu kaip ir viskas aisku, kas, kur, kada vyko, kas atsiskyre, kas su kuo susijunge. Man tik vienintelis klausimas neduoda ramybes. Tas laikas 379000 metu, kaip ji paskaiciuoja ? Suprantu kad tai laikas praejes nuo Plancko epochos pabaigos, taciau kaip Astrofizikai ji paskaiciuoja ? Jie speja, kad tiek laiko uzteko Visatai atvesti, ir tapti sviesai sklaidzia terpe, ar yra kazkoks kitas variantas ? Niekada neskaiciau jokio straipsnio kaip sita laika nustato, todel nelabai suprantu. Maniau kad galbut Wilkinsono pagalba taip pat nustate sita laiko tarpa, bet veliau gerai pagalvojau ir supratau kad galima pamatyti tik po 379000 metu, matyti temperaturu skirtumus, o ne pries, nes pries buvo Tamsieji Amziai. Tad mane domina tik sitas klausimas, kaip jie nustato kiek truko Tamsieji Amziai. Is anksto dekoju.

    1. Visatos (t.y. foninės spinduliuotės, esančios Visatoje) temperatūra krinta, Visatai plečiantis (plečiantis erdvei, ilgėja visi ilgiai, tame tarpe ir fotonų bangų ilgiai). Jei žinome, kaip priklauso Visatos mastelio faktorius (nusakantis plėtimąsi) nuo laiko, galime apskaičiuoti ir temperatūros priklausomybę nuo laiko. Mastelio faktoriaus kitimą randame iš Fridmano lygčių, tada apskaičiuojame, kad nuo Planko temperatūros iki vandenilio rekombinacijos temperatūros Visata ataušo per ~370 tūkstančių metų.

      Čia toks „paprastas“ skaičiavimo variantas. Neabejoju, kad yra ir kitokių, paremtų įvairiais stebėjimais, kurie padeda nustatyti, patikrinti ir pertikrinti Visatos parametrus.

Leave a Reply

El. pašto adresas nebus skelbiamas. Būtini laukeliai pažymėti *