Teorija Velikog praska i fizikalni uvjeti tijekom razvoja svemira
Prema teoriji Velikog praska svemir nastao iz gustog i toplog stanja prije konačnog vremena. Širenjem svemira njegova temperatura i gustoća se smanjuju. Na temelju opažačkih podataka, prema teoriji Velikog praska, moguće je izračunati kako se gustoća i temperatura svemira mijenjala tijekom njegove povijesti. Premda teorija Velikog praska nije jedini kozmološki model (spomenimo npr. teoriju Stalnog stanja), ipak možemo kazati da je ona danas općenito prihvaćena. Značajno je istaknuti da teorija Velikog praska ne predstavlja konačno rješenje pitanja nastanka i razvoja svemira. Primjera radi o samom “trenutku nula” zasad ništa ne možemo kazati. Istodobno, teorija pokazuje neke nedostatke. Njihovo tumačenje dovelo je do nadopunjavanja i izmjena same teorije. Tako je posljednjih godina aktualan inflacijski model svemira, koji je nadopunio standardnu teoriju Velikog praska.
Za razumijevanje fizikalnih uvjeta tijekom razvoja svemira, pogotovo onih koji su vladali u ranim trenucima svemira, presudno značenje imaju naše spoznaje o svijetu elementarnih čestica. Kao što smo kazali, sam “trenutak nula” još uvijek je potpuna zagonetka. Međutim, suvremenim fizikalnim teorijama nastoje se rastumačiti zbivanja u svemiru, već od trenutka kada je on bio star svega 10-43 sekundi. Pretpostavlja se da je tada temperatura svemira bila 1032K i da se jedinstvena sila među česticama (supergravitacija) razdvojila na dvije sile gravitacijsku i veliku ujedinjenu silu. Širenje i hlađenje svemira do temperature od 1028K (starost svemira tada je bila 10-35 sekundi), dovelo je do razdvajanja velike ujedinjene sile na jaku nuklearnu i elektroslabu silu. Obično se kaže da je tada došlo do “zamrzavanja” jake nuklearne sile. Kada je temperatura svemira opala na 1015K,(što odgovara starosti svemira od 10-10 sekundi), elektroslaba sila razdvojila se na elektromagnetsku i slabu nuklearnu silu.
Dakle, jedinstvena sila (supergravitacija) vrlo brzo se razdvojila na četiri danas nam poznate sile. Usporedno su nastajale elementarne čestice. Od jednostavnijih, postupno su stvorene one koje danas poznajemo.
U grubom, povijest svemira može se, s obzirom na omjer gustoće zračenja i materije, razdijeliti na dva razdoblja| razdoblje zračenja, koje je trajalo od trenutka separacije prirodnih sila u ranom svemiru, pa do vremena od 3*105 godina, kada je započelo razdoblje materije. Porijeklo elementarnih čestica povezano je procesom suprotnim od procesa anihilacije materije i antimaterije. Poznato je da pri srazu čestice i antičestice nastaje energija (E), koja se može izračunati prema znamenitoj Einsteinovoj relaciji:
E=mc2
pri čemu je m, ukupna masa(anihiliranih) čestica, dok je c, brzina svjetlosti. Primjera radi, anihilacijom elektrona i njegove antičestice pozitrona nastaju dva visokoenergetska gfotona. U suprotnom postupku dva gfotona mogu stvoriti elektron i pozitron. Međutim, za to su potrebni određeni uvjeti. Nužno je da fotoni imaju dovoljno veliku energiju, odnosno temperaturu zračenja. Tako je za nastanak elektrona i pozitrona potrebna temperatura od najmanje 1010K, a za nastanak parova proton antiproton potrebna je temperatura od najmanje 1013K. Visoke temperature vladale su u ranom svemiru kada su se i događali ovakvi procesi. S obzirom na to koje su čestice dominirale, rani svemir (koji pripada razdoblju zračenja), razdijeljen je u nekoliko podrazdoblja:
Hadronsko podrazdoblje (t = 10-8s 10-4s, T = 1014K 1012K) dominacija masivnih čestica i antičestica, kao što su protoni i antiprotoni, kvarkovi i antikvarkovi.
Leptonsko podrazdoblje (t = 10-4s 10s, T » 1012K) nastanak lakših čestica i antičestica, kao što su elektroni i pozitroni.
Podrazdoblje nukleosinteze (t = 10s 300s, T = 1011K 1010K) protoni i elektroni formiraju neutrone. U svemiru su uglavnom zastupljeni elektroni i neutrini (i njihove antičestice) te protoni i neutroni.
Kada je temperatura svemira opala na 109K, protoni i neutroni stvarali su jezgre deuterija i helija i male količine jezgara berilija i litija. Postupnim hlađenjem svemira nastajali su atomi vodika i helija. Nakon što je temperatura poprimila vrijednost od oko 3000K,(što odgovara starosti svemira od približno 3*105 godina), gustoća zračenja izjednačila se s gustoćom materije. Svemir od tog trenutka postaje propustan za zračenje. Pozadinsko zračenje, koje opažamo, potječe upravo iz tog doba. Uslijed širenja svemira ono je danas “ohlađeno” na svega 2,7K. Pozadinsko zračenje predstavlja doseg našeg motrenja u svemir. To su najstariji fotoni koje opažamo. Nakon što je svemir postao propustan za zračenje, započinje razdoblje materije, u kojem nastaju protogalaktike, kvazari, galaktička jata, zvijezde…
Prema inflacijskoj teoriji naglo širenje svemira započelo je u trenutku odvajanja elektroslabe i jake nuklearne sile, dakle kada je starost svemira iznosila svega 10-35 sekundi. Možemo kazati da je u tom trenutku došlo do “zamrzavanja” jake nuklearne sile. Slično kao što voda pri zamrzavanju oslobađa energiju u obliku topline, tako je “zamrzavanjem” jake nuklearne sile oslobođena velika količina energije, što je imalo za posljedicu naglo širenje svemira, koje je trajalo do trenutka kada je starost svemira iznosila 10-32 sekundi. Pretpostavlja se da je u tom kratkom periodu svemir povećao svoju veličinu 1050 puta! (Prisjetimo se da pod pojmom povećanja veličine svemira ili širenja svemira, podrazumijevamo porast uzajamnih udaljenosti točaka u svemirskom prostoru, što ne treba dovoditi u svezu s povećanjem nepostojećih “vanjskih dimenzija svemira”).
Inflacijskom teorijom Velikog praska objašnjavaju se neki problemi standardnog modela Velikog praska. Tako inflacija svemira može protumačiti naglu promjenu zakrivljenosti svemira, kao i očuvanje izotropnosti pozadinskog zračenja. Pretpostavlja se da je izdvajanjem jake nuklearne sile stvorena nešto veća količina materije nego antimaterije, što može protumačiti asimetriju između materije i antimaterije u današnjem svemiru. Teorije velike ujedinjene sile nastoje rastumačiti gravitacijske nestabilnosti već u ranom svemiru, a koje bi mogle objasniti grupiranje materije u ustrojstva koja su nastala mnogo kasnije. Tako neke od teorija ujedinjene sile pretpostavljaju konačnu masu neutrina. Kompjutorske simulacije pokazuju da masivni neutrini mogu biti razlogom grupiranja materije u obliku filamenata, što se opaža u ustrojstvima galaktičkih superjata.
Zanimljivo je da su suvremena kozmološka istraživanja usko povezana s istraživanjem mikrosvijeta. Nove spoznaje o fizici elementarnih čestica i prirodi njihovog uzajamnog djelovanja, neposredan su doprinos našim spoznajama o nastanku i razvoju svemira u kojem živimo.
Na kraju se postavlja pitanje kakva je konačna sudbina svemira. Procjene srednje gustoće svemira, (koje ne moraju biti točne), većinom ukazuju da je svemir otvoren, tj. da će se njegovo širenje vječno nastaviti. što će se u tom slučaju događati s materijom i energijom? Nakon što istroše nuklearno gorivo, zvijezde će izumirati. U svemiru će biti sve više bijelih patuljaka, neutronskih zvijezda i crnih jama. Jedan dio zvijezda napustit će svoje galaktike, a drugi dio će se sabiti u masivnu crnu jamu u galaktičkom središtu. Teorija pokazuje da bijeli patuljci kolapsiraju u neutronske zvijezde, a da neutronske zvijezde kolapsiraju u crne jame. Vjerojatnost tog procesa je vrlo mala, ali u vrlo dugom periodu vremena on će se ipak dogoditi. Za naše pojmove u gotovo neizmjernoj budućnosti, svemir će se sastojati od crnih jama. Međutim, ni to nije konačno stanje. Vrlo dugotrajnim procesom (tzv. Hawkingov proces), crne jame gube masu i “isparavaju”. Tako će na kraju svemirski prostor ostati ispunjen fotonima, neutrinima i antineutrinima te česticama i antičesticama isparenih iz crnih jama…
