Cronologia Big Bang
Această intrare sau secțiune despre subiectul fizicii nu citează sursele necesare sau cei prezenți sunt insuficienți . |
Cronologia Big Bang-ului este povestea, în parte ipotetică, a primelor instanțe de viață ale Universului , variind de la singularitate până la începutul timpului, văzute din cadrul nostru de timp în urmă cu aproximativ 13,7 miliarde de ani, până la formarea primii atomi , care au avut loc la aproximativ 200 de secunde după Big Bang.
Principalele teorii fizice care explică începutul Universului sunt teoriile despre inflație și GUT („marea unificare”).
Descriere
Modelul inflaționist
Teoria inflației presupune o accelerare rapidă, dar drastică, a extinderii momentelor spațiale după singularitatea de la începutul Universului. Această accelerare rapidă a făcut ca țesătura spațială să se extindă de la dimensiuni de miliarde de ori mai mici decât cea a unui proton la o dimensiune la jumătatea distanței dintre o marmură și o minge de fotbal. Conform teoriilor GUT, inflația poate fi cauzată de o anumită formă de câmp Higgs numită „ inflaton ”. La scurt timp după începutul Universului, inflatonul, datorită temperaturilor extrem de ridicate, a oscilat pe potențialul sombrero (forma caracteristică a câmpurilor Higgs) înainte de a se stabili într-un punct cu energie scăzută din câmp. Oscilația inflatonului a dus la o scurtă, dar intensă expansiune a spațiului, eliberând o cantitate uniformă de radiații (cu excepția fluctuațiilor cuantice) care a dus la formarea întregii materii. După expansiune, câmpul inflatonului, pe măsură ce temperatura scădea, s-a instalat într-un punct cu energie scăzută.
Ruperea simetriei CP și SUSY
Radiația eliberată de inflație a dat naștere la perechi particule - antiparticule , care au anihilat din nou în radiații. Dacă, în acest fel, materia poate fi formată și apoi anihilată instantaneu, ce a dus la ruperea simetriei CP , atât de evidentă în Universul actual? (sau mai bine zis, de ce există mai multă materie decât antimaterie în Universul actual?). Modelul inflaționist clasic explică acest fenomen ca fiind cauzat de fluctuațiile cuantice ale inflatonului, care au generat un ușor exces de materie față de antimaterie, sau ca cauzat de ipotetice particule supermasive, și anume „ bosonii X” și „bosonii Y”. Prin descompunere, aceste particule au dat naștere la un ușor exces de particule în raport cu antiparticule (acest fenomen este prezent și în „K“ mezonilor , care încalcă simetria CP). Simetrie SUSY ( supersimetria , emis ipoteza în contextul supercorzilor teorii ), cauzată probabil de fluctuațiile cuantice.
Separarea forțelor fundamentale
Conform teoriilor GUT, diferențierea celor patru interacțiuni fundamentale care au avut loc la începutul Universului se datorează oscilațiilor diferitelor forme de câmpuri Higgs. Cu temperaturi ridicate, bosonii Higgs au oscilat la potențialul sombrero înainte de a se așeza pe un punct de energie fix. Separarea gravitației de setul altor forțe mai intense, care ia numele de „forță unificată”, a avut loc cu un mecanism care nu a fost încă ipotezat. Separarea forței puternice de forța electrorebilă a avut loc datorită oscilațiilor unui anumit câmp Higgs, câmpul puternic Higgs , în același timp cu inflația. În cele din urmă, separarea dintre forțele slabe și cele electromagnetice a fost cauzată de oscilația câmpului Higgs , slab, responsabil pentru masa particulelor. Valorile temperaturii la care a avut loc separarea fiecărei interacțiuni sunt 10 27 kelvini (10 urmate de 27 zerouri, egale cu un miliard de miliarde de miliarde de grade Celsius ) pentru forța puternică și 10.000.000.000.000.000 de kelvini (egală cu zece milioane de miliarde de grade Celsius) pentru interacțiunea electro-slabă. Odată cu scăderea drastică a temperaturilor care a însoțit expansiunea Universului, forțele fundamentale sau, mai exact, câmpurile lor Higgs respective, au „înghețat” și au rămas neschimbate până în prezentul Univers.
Vârstele Universului
Cosmologii au împărțit „istoria” Universului în 9 ere, variind de la câteva fracțiuni de secundă la miliarde de ani. Fiecare dintre aceste ere este caracterizată de un eveniment particular - care poate fi separarea unei forțe fundamentale de celelalte sau formarea primelor nuclee.
Era de la Planck
Este faza inițială a vieții universului, a cărei durată incredibil de scurtă este cea a timpului lui Planck (10 −43 secunde). Niciuna dintre teoriile fizice actuale nu poate descrie corect ceea ce s-a întâmplat în era Planck, iar mai multe teorii oferă predicții diferite. În această eră, cele patru forțe fundamentale - electromagnetice , nucleare slabe , nucleare puternice și gravitaționale - au aceeași intensitate și sunt probabil unificate într-o singură forță fundamentală.
Teoria relativității generale prezice că universul a început cu o singularitate gravitațională , o condiție fizică ideală în care întregul univers este cuprins într-un punct (în sens matematic, adică fără dimensiuni) caracterizat prin valori infinite de temperatură și densitate . Parametrii care descriu proprietățile fizice asociate cu acest punct de plecare în spațiu - timp au o singularitate matematică . În toate aplicațiile matematicii la problemele fizice, apariția unei singularități identifică regiuni ale domeniului în care teoria fizică își pierde valabilitatea datorită apariției unor fenomene suplimentare, care nu mai sunt neglijabile; în acest caz, așa cum am menționat mai sus, fenomenele gravitaționale sunt modificate de efectele cuantice . Fizicienii speră că teoriile gravitației cuantice , cum ar fi teoria corzilor și gravitația cuantică în buclă, vor duce la o mai bună înțelegere a acestei etape.
A fost de mare unificare
- Diametrul Universului : 10 -33cm
- Temperatura : 10 30 K
- Timp după Big Bang : 1 miliardime dintr-o miliardime dintr-o yoctosecundă (10 -43 secunde)
În această eră pre-inflaționistă, care a început 1 zece miliarde dintr-o miliardime dintr-o yoctosecundă (egală cu 10 −43 secunde, sau 0,00000000000000000000000000000000000000001 secunde) după Big Bang, forțele fundamentale, cu excepția gravitației, erau încă unite într-un singur " superforță "formată din forță electromagnetică și forțe nucleare slabe și puternice .
Era inflație
- Diametrul Universului : 10 -26 metri
- Temperatura : 10 27 K , egală cu un miliard de miliarde de miliarde ° C
- Timp după Big Bang : 1 sută miliarde de yoctosecunde (10 -35 secunde)
În era inflației, fluctuațiile inflației au dat naștere unei expansiuni rapide, dar drastice, a Universului. Energia sub formă de radiații eliberată de acest câmp special Higgs a dat naștere la perechi particule-antiparticule, care s-au anihilat instantaneu. Cu toate acestea, o fluctuație cuantică ar fi putut duce la un ușor exces de particule în raport cu antiparticulele, excesul responsabil pentru materia prezentă în Universul actual.
A fost slăbit electric
- Diametrul Universului : 10 metri (Universul a devenit enorm mai mare din cauza inflației )
- Temperatura : 10 27 K, egală cu un miliard de miliarde de miliarde ° C
- Timp după Big Bang : o sută de milionime de yoctosecundă (10 -32 secunde)
În această eră, câmpul puternic Higgs a separat deja interacțiunea puternică de cea electrolabă , rezultând în formarea de gluoni și perechi quark- antiquark din radiația eliberată în urma inflației. Se speculează că bosonii X și Y (dacă au existat vreodată) au apărut în această eră.
Sfârșitul erei electrodebole
- Diametrul Universului : 10 12 metri (un miliard de kilometri)
- Temperatura : 10 15 K (egal cu un milion de miliarde de grade Celsius)
- Timp după Big Bang : 1 nanosecundă , sau 10-9 secunde (o miliardime de secundă)
Era electrolabă a durat aproximativ 10 −27 secunde. Sfârșitul său a fost caracterizat prin separarea forței electro- slabe în interacțiunea slabă și interacțiunea electromagnetică , fenomen determinat de oscilațiile câmpului Higgs electro- slab . Această separare a fost urmată de asumarea în masă a bosonilor slabi , a quarcilor și a leptonilor .
Era din hadroni
- Diametrul Universului : 100 miliarde de kilometri
- Temperatura : 10 13 K (echivalentul a aproximativ 10.000 miliarde de grade Celsius )
- Timp după Big Bang : 1 microsecundă ( 10-6 secunde, o milionime de secundă)
În epoca hadronilor , energia termică a devenit suficient de scăzută pentru a permite interacțiunea dintre quarkuri prin intermediul forței puternice (interacțiunea puternică, precum și celelalte interacțiuni, are o caracteristică specială: scade în intensitate ca putere) . Quarkii și antiquarkurile s-au legat astfel pentru a forma primii hadroni .
Era din leptoni
- Diametrul universului :?
- Temperatura : 10 12 K
- Timp după Big Bang : 10 -4 secunde de Big Bang
În acest moment al istoriei universului, temperatura este de aproximativ 1000 de miliarde de grade.
- 1 secundă după Big Bang : temperatura este de 10 miliarde de grade Celsius.
- La 100 de secunde după Big Bang : temperatura este de 1 miliard de grade.
A fost al nucleosintezei
- Diametrul Universului : peste 1000 de miliarde de kilometri
- Temperatura : 10 10 Kelvin
- Timp după Big Bang : 100 de secunde
În această eră, majoritatea neutronilor s-au descompus în protoni . Energia a fost redusă suficient pentru a permite nucleonilor să se lege prin pioni formând astfel primii nuclei de heliu-4 și deuteriu .
Era opacitate
- Diametrul Universului : între 10 și 10.000 de ani lumină
- Temperatura : 10 8 Kelvin
- Timp după Big Bang : 200 de secunde.
În această eră, energia a scăzut suficient pentru a permite interacțiunea electromagnetică să se manifeste. Particulele încărcate au interacționat între ele și cu fotonii rămași din inflație și anihilare a perechilor particule-antiparticule. În această eră a existat formarea primilor atomi , în special hidrogen , heliu , litiu și izotopi de hidrogen. La sfârșitul erei opacității, temperatura a scăzut suficient pentru a reduce producția de perechi quark- antiquark sau lepton- antilepton de generații masive (vezi Modelul standard ).
Era important
- Diametrul Universului : 100 de milioane de ani lumină
- Temperatura : 3000 Kelvin
- Timpul după Big Bang : 300.000 de ani
În epoca materiei, fotonii rămași din epoca inflației s-au răspândit în tot Universul, formând fundalul cosmic cu microunde care este prezent și în Universul actual. Toată materia era alcătuită în principal din atomi și leptoni din prima generație. Toate particulele masive care, cu temperaturi ridicate, s-au format continuu în perechi particule-antiparticule din radiații, s-au degradat deja în particule ușoare din prima generație, cum ar fi electroni și neutrini și, printre hadroni , neutroni și protoni . Epoca materiei se desfășoară de aproximativ 13,7 miliarde de ani.
Formarea primelor stele
Neregulile în distribuția materiei după inflație au fost cauzate de fluctuațiile cuantice din acest câmp special Higgs . Spre începutul erei materiei, neregulile s-au manifestat în principal în zone de materie mai condensate decât altele. Forța gravitațională a acționat asupra acestor nereguli formând aglomerări din ce în ce mai mari de materie: aceasta a condus la formarea primelor stele , la 200 de milioane de ani de la Big Bang, și a primelor galaxii active (în principal quasare ). Astrofizicienii speculează că primele stele formate în Univers au fost mult mai masive decât cele actuale. Procesele de fuziune nucleară declanșate în nucleul acestor stele au dus la formarea de elemente grele precum oxigenul , carbonul , neonul , fierul și azotul , care s-au răspândit în spațiul interstelar în urma exploziei stelelor din supernove , cu formarea consecventă a găurilor negre. . Odată cu explozia lor, stelele masive formate la 200 de milioane de ani de la Big Bang, numite „ megastare ”, au dat naștere unei radiații electromagnetice deosebit de intense, probabil responsabilă pentru ionizarea atomilor de hidrogen care se găsesc printre grupurile de galaxii din universul actual.
Accelerarea energiei întunecate
La aproximativ 7 miliarde de ani după Big Bang, Universul, care își încetinea expansiunea datorită forței gravitaționale (așa cum se arată în figura anterioară [1] ), a suferit o accelerare a expansiunii sale, care este încă detectabilă în Universul actual. . Această accelerație poate fi cauzată de energia întunecată , forța lambda anti-gravitațională [2] . Acest lucru va duce probabil la terminarea Universului printr-o Big Rip sau Big Freeze .
Notă
- ^ Fișier: Background radiation timeline.png
- ^ Davide Mauro, Elapsus - Dacă vidul nu este „gol”, aceasta înseamnă energie din nimic și expansiunea Universului , pe www.elapsus.it . Adus la 11 ianuarie 2017 (arhivat din original la 5 martie 2016) .
Bibliografie
- Brian Greene , The complot of the cosmos , Turin, Einaudi, 2004, ISBN 88-06-16962-9
- Michio Kaku , Lume paralele. O călătorie prin creație, dimensiunile superioare și viitorul cosmosului , Torino, Ed.Code, 2006, ISBN 88-7578-054-4
