|
Universets tidligste historie
Erling Poulsen
Alle
temperaturer er i ˚Kelvin, der skal
trækkes 273 fra for at omregne til ˚C. Mere om de
eksotiske partikler der nævnes se: Standardmodellen.
Var
der en grund til at det skete?*)
Alder
før 10-43 sek.
Kvante tiden, Universet består af en "suppe" af noget vi ikke ved hvad
er. Der er kun en forenet
kraft
i Universet. Da vi ikke ved noget som helst om tyngde (som nok ikke har
eksisteret endnu) i forbindelse med kvantemekanik og tyngdekraft er
fundamental for at forstå rum og tid må disse begreber ikke eksistere i
en form vi har nogen som helst forståelse for (derfor er ordet "før"
lidt af en tilsnigelse). Hvad der foregår i dette område forsøger man
(teoretisk) at behandle i
streng-teorier.
Når man
kombinerer Compton bølgelængden λ, som er bølgelængden af en
foton (lyskvant) der har samme energi,
Eλ, som massens hvileenergi, EM,
for en partikel med masse M (har en foton denne energi vil den
hele tiden omdannes til partiklen og denne til fotoner, vi er i
kvanteområdet hvor stof og stråling er ét).
EM=Mc2;
fra Den Specielle
Relativitetsteori
Eλ=hν; ν=c/λ; Plancks lov for
energien i en lyskvant, foton, ν er frekvensen og λ er
bølgelængden.
(hvor h er
Plancks konstant 6,6 x 10-34 Js og c er
lyshastigheden 3*108 m/s, nogen gange bruger man ħ i stedet for
h,
h=2πħ, det gør ikke den store forskel)
der fås:
λ = h/M c Størrelsen viser unøjagtigheden af hvor
partiklen er efter kvantemekanikken.
Med størrelsen
af det sorte hul med massen M, fra Den Almene
Relativitetsteorien.
rg = GM/c2 (her er G
gravitationskonstanten: 6.67 x 10-11 Nm2kg-2),
størrelsen viser hvor langt man skal fra
partiklen for at kunne bruge relativitetsteorien
(indenfor denne afstand er man ikke i vort Univers, det er derfor man
kalder det et hul)
der fås:
h/Mc=GM/c2 eller M2=hc/G
og indsættes denne masse √hc/G
(Planckmassen:
mP=5,4
x 10-8 kg ~ Energien: EP=mPc2=4,9×109J =3
x 1019 GeV,
der gættes på at tyngdens kvantisering viser sig ved denne energi, den
temperatur der svarer her til kaldes Planktemperaturen
TP=EP/k
(hvor k er Boltzmanns konstant 1,38 x 10-23 J/˚K=
8,616x10-14 GeV/˚K) = 4 x 1032˚, man kan ikke
tale om højere temperaturer indenfor den fysik vi kender til.)
i formlen for λ fås ved indsættelse af mP
lP=√Gh/c3;
Plancklængden = 4 x 10-35m
og tiden for en foton at bevæge sig denne længde er så lP/c
tP=√Gh/c5;
Plancktiden, for tidsrum mindre end det kender man ikke de fysiske love
= 1,3 x 10-43 sek.
Alder
10-43 sek, Plancktiden
Temperatur 100.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000˚
Tyngdekraften bliver en selvstændig kraft. Rum og tid begynder (det
behøver ikke være det kendte rum med retninger frem, op og til siden,
der kan være flere dimensioner). Tidspunktet for Big Bang, de partikler
(fotoner, qvarker og elektroner) der findes vejer ikke noget og må
betegnes som stråling , der eksisterer et
falsk
vakuum kaldet Higgs feltet som har værdien 0 overalt men som har en
positiv energitæthed.
Alder
10-35 sek.
Temperatur 1.000.000.000.000.000.000.000.000.000˚~
1014GeV
Den stærke kraft skiller sig ud fra den elektrosvage kraft (Den stærke
kraft er den kraft, der holder atomkernerne sammen) i forbindelse med Higgs feltets
faseovergang til et vacuum herved får feltet en værdi forskellig
fra 0 og de masseløse partiklers vekselvirkning med feltet giver dem
masse. "Klumper" i dette felt kaldes Higgs bosoner en partikel der i
disse år søges efter, men som lige nu er teoretisk (teorien gjorde det
dog muligt at forudbestemme massen af andre fundne partikler). Omkring
dette tidspunkt stopper nogle af dimensionerne med at vokse og rumtiden
med dens 4 dimensioner er indtil videre hvad vi kan erkende.
Alder
10-35 sek. til 10-33 sek.
Inflationen, Universet bliver 1030 gange større, efter
inflationen er temperaturen stadig 1.000.000.000.000.000.000.000.000.000˚~86160000000000 GeV, vakuum
energien der drev inflationen**)
er blevet omdannet til varme (stråling) som så senere ved lavere
temperaturer danner stof
(elementarpartikler). Ideen med denne inflation er at kunne
forklare hvorfor Universet ser så ens ud i alle retninger og hvorfor
det er så fladt.
Hvis
vi forestiller os at universet ved
10-35
sek. er en 10-30 m stor kugleoverflade og alt er indenfor
lysafstand og derfor kan påvirke hinanden, så vil Universet se ret
krumt ud for en flad iagttager der er på overfladen (han/hun kan jo se
det hele). 10-33 sek. senere er Universet en kugle på 1 m i
diameter men nu kan man kun se 10-30 m + 3 x 108
x 10-33 m ~ 3 x 10-25m væk (omkring en
milliardtedel af protonens diameter) og så vil kuglen se meget flad ud.
Alder
10-12 sek, hvad der sker før dette tidspunkt har man kun
meget svage ideer om.
Temperatur 1.000.000.000.000.000˚~86 GeV
Den elektromagnetiske kraft (som formidles af fotoner) skiller sig ud
fra Den svage kraft (som er den kraft der er ansvarlig for at
nogle atomkerner er radioaktive, den formidles af W±
og Z partiklerne, de vejer ca. 90 GeV, for at fotoner skal have denne
energi må temperaturen være 90 GeV/k(Boltzmanns
konstant) og det giver netop denne
temperatur og det er grunden til at den elektromagnetiske kraft
(formidlet af fotoner) ikke er til at skelne fra den svage kraft ved
højere temperaturer).
Alder
10-6 sek
Temperatur 10.000.000.000.000˚~860 MeV
Kvarkerne forenes og danner Protoner og Neutroner (en Proton består af
to up-kvarker og en down-kvark, en Neutron består af to down-kvarker og
en up-kvark. Kvarkerne er bundet til hinanden af gluoner)
Alder
0,02 sek.
Tæthed 4.000.000.000 g/cm3 ; Temperatur: 100.000.000.000˚~8,6 MeV
Det meste af Universet er lys (elektromagnetisk stråling, fotoner), der var
kun en ringe mængde stof. Elektroner og antielektroner skabes af lyset
og skaber lys når de forenes. Protoner og Neutroner (baryoner) omdannes
konstant til hinanden, der er én baryon for hver milliard fotoner.
Alder 0,11 sek.
Tæthed 30.000.000 g/cm3 ; Temperatur: 30.000.000.000˚~2,5 MeV
Fri
Neutroner henfalder til Protoner, der er ca. 62% Protoner og 38%
Neutroner blandt baryonerne.
Alder 1,09 sek.
Tæthed 400.000 g/cm3 ; Temperatur: 10.000.000.000˚~0,86 MeV (en typisk energi af partikler der udløses
ved brintbombeeksplotioner)
Universet bliver gennemsigtigt for neutrinoer
som siden næsten ikke har vekselvirket med noget.
76% Protoner, 24% Neutroner
Alder 13,8 sek.
Temperatur: 3.000.000.000˚~0,23 MeV
Lyset kan ikke mere danne
elektron-antielektronpar og deres antal formindskes drastisk. Tung
brint dannes ikke endnu, det er ustabilt ved denne
temperatur fordi protonen og neutronen ikke er bundet særlig stærkt til
hinanden, denne manglende dannelse forhindrer Helium i at dannes. Der
bliver dannet tunge brintkerner men de mange fotoner har energi til at
skille dem før de kan danne de mere "solide" He-3 og He-4 kerner.
83% Protoner, 17% Neutroner
Alder 3min. 2 sek.
Temperatur: 1.000.000.000˚~86 keV
Næsten ingen elektroner og antielektroner tilbage, det meste af
Universet består af fotoner og neutrinoer.
Neutronernes henfald til Protoner skaber forholdet 86 % Protoner og 14
% Neutroner, det forhold der giver det nuværende forhold mellem Brint
og Helium
Alder 3 min. 46 sek.
Temperatur: 900.000.000˚~78 keV
Tunge brintkerner kan nu dannes så alle neutroner indgår hurtigt i dem
og derpå danner tung Brint Helium, som er meget stabilt, fra dette
tidspunkt stammer Universets indhold af Helium (24 vægt % ).
1
H
1 + 1 H 1 —> 2
D
1 + 0 e 1
( antielektron
) + 0 n 0 ( neutrino
)
2 D 1 + 1
H 1 —> 3 He
2
3 He 2 + 3
He 2 —> 4 He
2 + 2 1 H 1
Tungere stoffer dannes ikke for skulle en proton eller neutron ramme en
Heliumkerne skulle dannes en kerne med masse 5, men en sådan findes
ikke, derfor standser stoffets udvikling her indtil de første stjerner
er dannet, i dem kan tungere stoffer
produceres. Dog bliver der også dannet en anelse tung Brint, He-3,
Li-6 og Li-7.
Alder 34 min. 40 sek.
Tæthed 10 g/cm3 ;Temperatur: 300.000.000˚~25
keV
Kerneprocesserne er standset. Universets udvidelse og fald i temperatur
fortsætter. På grund af et lille overskud af elektroner i forhold til
antielektroner er der elektroner tilbage efter at alle antielektroner
er opslugt af elektroner (oprindeligt var der 1000000001 elektroner i
forhold til 1000000000 antielektroner, grunden kendes ikke. Der er lige
så mange elektroner som Protoner, hvorfor vides heller ikke, men hvis
antallet ikke havde været det samme så ville dele af universet være
elektrisk ladet i dag, og da den elektromagnetiske
kraft
er så meget større end tyngdekraften ville den have domineret og
Universet havde ikke kunnet hænge sammen, og du havde ikke siddet og
læst det her).
300000
år
Temperatur: 3.000˚~0,26 eV
Det er nu så koldt at Brint- og Heliumkernerne kan indfange elektroner
og danne neutrale atomer. Lys kan kun vekselvirke med ladninger så
derfor bliver Universet med et gennemsigtigt, lyset fra dengang med en
bølgelængde svarende til de 3000˚ har siden fyldt Universet,
men det har siden udvidet sig ca. 1000 gange og det har lysets
bølgelængde også, så i dag har det lys en temperatur svarende til
3˚
(den kosmiske mikrobølgestråling).
Nu
kommer den mørke periode der varer i ca. 400.000.000 år så har stoffet
nogle steder samlet sig og de første stjerner
tendes.
Billedet viser hvor stor den del af Universet er som
vi kan se og
som kan påvirke os, altså ikke Universets virkelige størrelse.
Egenskaber hos de
fundamentale kræfter
| Kraft |
Styrke i
forhold til Den Stærke Kraft |
Rækkevidde
i meter |
Partikel der
overfører kraften |
Selvstændig
kraft siden
sekunder efter t=0 |
|
Tyngde
|
10-38
|
∞
|
Graviton
|
10-43 |
|
Stærk
|
1
|
10-15
|
Gluon
|
10-35 |
|
Elektromagnetisk
|
10-2
|
∞
|
Foton
|
10-12 |
|
Svag
|
10-6
|
10-18
|
W og Z
|
10-12 |
Her er en oversigt på engelsk
| Era |
Time |
Size |
Energy or
Temperature |
Relics & Observables |
Events |
| Planck era |
< 10-43 sec |
< 10-50 cm |
> 1019 Gev |
4-dimensional spacetime;
cosmic
expansion |
Smallest unit of
space-time started to expand; all forces united
into one |
| GUT era |
< 10-35 sec |
< 10-47 cm |
> 1014 Gev |
Super-heavy
particles;
fundamental interactions |
Separation of
spacetime and matter; gravitational,
strong, and electroweak forces |
| Inflation |
< 10-32 sec |
< 1000 cm |
> 1013 Gev |
Observable
universe;
large scale
structures |
Unstable vacuum;
quantum fluctuations |
| Electro-weak era |
< 10-10 sec |
< 1014 cm |
> 100 Gev |
Radiation; excess of
matter over antimatter; separation of force and matter fields |
Radiation released in
reheating; baryon-antibaryon asymmetry; separation of weak and
electromagnetic forces, origin of mass |
| Strong era |
< 10-4 sec |
< 1017 cm |
> 200 Mev |
Exotic forms of dark matter |
Formation of hadrons from
quarks including neutrons and protons |
| Weak decoupling |
< 1 sec |
< 1019 cm |
> 3 Mev |
Hydrogen nuclei domination |
Neutrinos decouple,
neutron/proton ratio fixed |
| e-e+
Annihilation |
< 5 sec |
< 3x1019 cm |
> 1 Mev |
Photons hotter than
neutrinos today |
Electron heat dumped into
photons |
| Nucleo-synthesis |
< 100 sec |
< 1020 cm |
> 200 Kev |
Light element abendances: D,
He, Li |
Nuclear reactions freeze
out, stable nuclei form |
| Spectral decoupling |
< 106 sec |
< 1022 cm |
> 3 Kev |
Blackbody background
radiation |
End of efficient photon
production |
| Matter ~ radiation |
< 104 yrs |
< 8x1024 cm |
> 3 ev |
Mass density fluctuations |
Matter density ~ radiation
density |
| Recom-bination |
< 0.4 My |
< 5x1025 cm |
> 3000oK |
CMBR |
e- and p+
recombine into H atoms, universe transparent to light |
| Dark ages |
< 1 Gy |
< 3x1027 cm |
> 15oK |
First stars,
heavy
elements |
mass fluctuations grow,
first small objects coalesce, reionization |
| Galaxy
formation |
< 2 Gy |
< 4x1027 cm |
> 10oK |
Stars, quasars, galaxies |
Collapse to galactic systems |
| Bright ages |
< 13 Gy |
< 9.7x1027 cm |
> 2.8oK |
Milky Way
and Solar
System |
Gas consumed into stars,
remnants, planets |
| Present era |
~ 13.7 Gy |
~ 1028 cm |
~ 2.73oK |
Supercluster |
Large scale gravitational
instability |
*)
Der bliver her argumenteret for at der består myriader af
universer, og at der konstant opstår nye. Grunden er at naturlovene
sammen med antallet af dimensioner i vort Univers passer
utroligt godt sammen, hvis bare man ændrer en anelse på en af
naturkonstanterne eller en af potenserne i en naturlov så kan vort
univers ikke fungere, det vil klappe sammen lynhurtigt eller alting vil
blæse væk fra hinanden og vi ville selvfølgelig ikke være her.
Der er to mulige svar på det forhold, enten er Universet et
guddommeligt mirakel og er så at sige konstrueret (det er den religiøse
forklaring), eller også er der ved et tilfælde opstået en boble i et
superunivers, hvori der konstant opstår bobler, som ved et tilfælde
havde de kendte egenskaber, chancen for det er ringe men hvis det hele
tiden sker så vil vort univers også opstå. Det er ligesom hvis man
sidder og laver blækklatter på et stykke papir, hvis man gør det én
gang og klatten bliver et perfekt kvadrat så er det et mirakel, men
hvis man gør det 100 milliarder (eller flere gange) og det én af
gangene bliver et kvadrat, så er det en tilfældighed.
Se mere i Scientific American fra maj 2003 side 31.
**)
Hvorfor
voksede det
Hvis vi ser på en lille masse m, der ligger på
en kugleskal, og der inde i kuglen er en masse M så vil den lille masse
have den potentielle energi
Epot=-GMm/r
og dermed påvirkes af kraften
K=-dEpot/dr=-GMm/r2
hvor minustegnet viser at kraften er rettet mod
centrum c i kuglen, det er almindelig Newtonsk fysik.
hvis vi nu forestiller os at et felt inde i kuglen
skifter og derved bliver i stand til at ændre massen i kuglen på en
sådan måde at det nu er massefylden d i kuglen der er konstant så vil
massen inde i kuglen være d4πr3/3 og den potentielle energi
Epot=-Gmd4πr2/3
og m dermed påvirkes af kraften
K=-dEpot/dr=2Gmd4πr/3
nu er fortegnet + og kraften skubber nu m væk fra
c, oven i købet med en kraft der vokser jo længere m fjerner sig fra c.
et sådant felt vil altså få alt i universet til at
fare væk fra alt andet, universet vokser eksponentielt.
|
