11.8: Mageuzi ya Ulimwengu wa Mapema

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Eleza mageuzi ya ulimwengu wa mapema katika suala la vikosi vinne vya msingi
• Tumia dhana ya lensing ya mvuto ili kuelezea matukio ya astronomical
• Kutoa ushahidi wa Big Bang katika suala la mionzi ya asili ya cosmic
• Tofautisha kati ya suala la giza na nishati ya giza

Katika sehemu iliyopita, tulijadili muundo na mienendo ya ulimwengu. Hasa, ulimwengu unaonekana kuwa unapanua na hata kuharakisha. Lakini ulimwengu ulikuwa kama nini mwanzoni mwa wakati? Katika sehemu hii, tunazungumzia ushahidi gani wanasayansi wameweza kukusanya kuhusu ulimwengu wa mwanzo na mageuzi yake hadi sasa.

Ulimwengu wa Mapema

Kabla ya muda mfupi wa mfumuko wa bei wa cosmic, cosmologists wanaamini kwamba mambo yote katika ulimwengu yalipigwa ndani ya nafasi ndogo sana kuliko atomi. Cosmologists zaidi wanaamini kwamba ulimwengu ulikuwa mnene sana na moto, na mwingiliano kati ya chembe uliongozwa na nguvu moja. Kwa maneno mengine, vikosi vinne vya msingi (nguvu nyuklia, umeme, nyuklia dhaifu, na mvuto) kuunganisha katika moja katika nguvu hizi (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)). Jinsi na kwa nini “umoja” huu unapungua kwa nguvu za chini ni shida muhimu isiyoweza kutatuliwa katika fizikia.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Kutenganishwa kwa vikosi vinne vya msingi katika ulimwengu wa mapema.

Mifano ya kisayansi ya ulimwengu wa mapema ni ya kubahatisha sana. Kielelezo\(\PageIndex{2}\) kinaonyesha mchoro wa ratiba moja inayowezekana ya matukio.

Kielelezo\(\PageIndex{2}\): ratiba ya takriban ya mageuzi ya ulimwengu kutoka Big Bang hadi sasa.

1. Big Bang\((t < 10^{-43} s)\): sheria ya sasa ya fizikia kuvunja. Mwishoni mwa tukio la awali la Big Bang, joto la ulimwengu ni takriban\(T = 10^{32}K\).
2. Awamu ya mfumuko wa bei\((t = 10^{-43} \, to \, 10^{-35})\): Ulimwengu unazidi exponentially, na mvuto hutenganisha na nguvu nyingine Ulimwengu hupungua hadi takriban\(T = 10^{27}K\).
3. Umri wa leptoni\((t = 10^{-35} \, to \, 10^{-6} s)\): Kama ulimwengu unaendelea kupanua, nguvu ya nyuklia hutenganisha na nguvu za nyuklia za umeme na dhaifu (au nguvu ya electroweak). Hivi karibuni, nguvu ya nyuklia dhaifu hutenganisha na nguvu ya umeme. Ulimwengu ni supu ya moto ya quarks, leptoni, photons, na chembe nyingine.
4. Umri wa nucleons\((t = 10^{-6} \, to 225 \, s)\): Ulimwengu una leptoni na hadroni (kama vile protoni, neutroni, na mesoni) katika usawa wa joto. Uzalishaji wa jozi na uharibifu wa jozi hutokea kwa urahisi sawa, hivyo photoni hubakia katika usawa\[\gamma + \gamma \rightleftharpoons e^- + e^+ \nonumber \]\[\gamma + \gamma \rightleftharpoons p + \overline{p} \nonumber \]\[\gamma + \gamma \rightleftharpoons n + \overline{n}. \nonumber \] wa mafuta: Idadi ya protoni ni takriban sawa na idadi ya neutroni kupitia mwingiliano na neutrinos:\[\nu_e + n \rightleftharpoons e^- + p \nonumber \]\[\overline{\nu}_e + p \rightleftharpoons e^+ + n. \nonumber \] Joto la ulimwengu linaweka takriban\(10^{11} K\) -much baridi sana kwa ajili ya uzalishaji kuendelea ya jozi nucleon-antinucleon. Idadi ya protoni na nyutroni zinaanza kutawala juu ya chembe zao za kupambana na chembe, hivyo uharibifu wa protoni-antiprotoni\((p\overline{p})\) na\((n\overline{n})\) neutroni-antineutron hupungua. Deuterons (jozi za protoni-neutroni) zinaanza kuunda.
5. Umri wa nucleosynthesis (\(t = 225 s\)hadi miaka 1000): Wakati ulimwengu unaendelea kupanuka, deuteroni huguswa na protoni na nyutroni kuunda viini vikubwa; viini hivi vikubwa huguswa na protoni na nyutroni kuunda viini vingi bado. Mwishoni mwa kipindi hiki, karibu 1/4 ya wingi wa ulimwengu ni heliamu. (Hii inaelezea kiasi cha sasa cha heliamu katika ulimwengu.) Photoni hazina nishati ya kuendelea na uzalishaji wa elektroni-positron, hivyo elektroni na positroni huangamiana kwa photoni tu.
6. Umri wa ions\((t = 1000\) kwa miaka 3000): Ulimwengu ni moto wa kutosha ionize atomi yoyote sumu. Ulimwengu una elektroni, positroni, protoni, nuclei nyepesi, na photoni.
7. Umri wa atomi\((3000\) hadi miaka 300,000): Ulimwengu hupungua chini\(10^5\, K\) na fomu ya atomi. Photoni haziingiliani sana na atomi zisizo na upande, hivyo “hutenganisha” (tofauti) kutoka kwa atomi. Photons hizi hufanya mionzi ya microwave ya asili ya cosmic kujadiliwa baadaye.
8. Umri wa nyota na galaxi\((t = 300,000\) miaka hadi sasa): Atomi na chembe huvutwa pamoja na mvuto na huunda uvimbe mkubwa. Atomi na chembe katika nyota hupata majibu ya fusion ya nyuklia

Video

Tazama video hii ili ujifunze zaidi kuhusu Big Bang cosmology.

Ili kuelezea hali ya ulimwengu wa mapema kwa kiasi kikubwa, kumbuka uhusiano kati ya nishati ya wastani ya joto ya chembe (E) katika mfumo wa kuingiliana chembe na joto la usawa (T) wa mfumo huo:\[E = k_BT, \nonumber \] wapi\(k_B\) mara kwa mara ya Boltzmann. Katika hali ya moto ya ulimwengu wa mapema, nguvu za chembe zilikuwa kubwa sana.

Mfano\(\PageIndex{1}\): What Was the Average Thermal Energy of a Particle just after the Big Bang?

Mkakati

Nishati ya wastani ya joto ya chembe katika mfumo wa chembe za kuingiliana inategemea joto la usawa wa mfumo huo. Tunapewa joto hili la takriban katika ratiba ya juu.

Suluhisho

Cosmologists wanafikiri joto la ulimwengu tu baada ya Big Bang ilikuwa takriban\(T = 10^{32}K\). Kwa hiyo, wastani wa nishati ya mafuta ya chembe ingekuwa

\[k_BT \approx (10^{-4}eV/K)(10^{32}K) = 10^{28} eV = 10^{19} GeV. \nonumber \]

Umuhimu

Nishati hii ni amri nyingi za ukubwa mkubwa kuliko nguvu za chembe zinazozalishwa na kasi za chembe za binadamu. Hivi sasa, hizi accelerators kazi katika nguvu chini ya\(10^4 \, GeV\).

Zoezi\(\PageIndex{1}\)

Linganisha wingi wa heliamu kwa molekuli miaka 10,000 baada ya Big Bang na sasa.

Jibu

kuhusu sawa

Nucleons huunda kwa nguvu takriban sawa na molekuli iliyobaki ya proton, au 1000 MeV. Joto linalohusiana na nishati hii ni kwa hiyo

\[T = \dfrac{1000 \, MeV}{8.62 \times 10^{11} MeV \cdot K^{-1}} = 1.2 \times 10^{13}K. \nonumber \]

Joto la thamani hii au la juu lilikuwepo ndani ya pili ya kwanza ya ulimwengu wa mwanzo. Uchambuzi sawa unaweza kufanyika kwa atomi. Atomi huunda nishati sawa na nishati ya ionization ya hidrojeni ya hali ya ardhi (13 eV). Joto la ufanisi kwa ajili ya malezi ya atomu ni kwa hiyo

\[T = \dfrac{13 \, eV}{8.62 \times 10^5 \, eV \cdot K_{-1}} = 1.6 \times 10^5 K. \nonumber \]

Hii hutokea vizuri baada ya vikosi vinne vya msingi kutenganisha, ikiwa ni pamoja na vikosi muhimu vya kumfunga protoni na nyutroni katika kiini (nguvu kali za nyuklia), na kumfunga elektroni kwenye kiini (nguvu ya sumakuumeme).

Nucleosynthesis ya vipengele vya Mwanga

Wengi wa jamaa wa mambo ya mwanga hidrojeni, heliamu, lithiamu, na berili katika ulimwengu hutoa ushahidi muhimu kwa Big Bang. Takwimu zinaonyesha kwamba sehemu kubwa ya heliamu katika ulimwengu ni ya kwanza. Kwa mfano, inageuka kuwa asilimia 25 ya jambo hilo ulimwenguni ni heliamu, ambayo ni kubwa mno na wingi na haiwezi kuelezewa kulingana na uzalishaji wa heliamu katika nyota.

Ni kiasi gani cha vipengele katika ulimwengu viliumbwa katika Big Bang? Kama kukimbia saa nyuma, ulimwengu inakuwa zaidi na zaidi USITUMIE, na moto na moto zaidi. Hatimaye, hali ya joto hufikiwa ambayo inaruhusu nucleosynthesis, kipindi cha malezi ya nuclei, sawa na kile kinachotokea kwenye msingi wa Jua. Big Bang nucleosynthesis inaaminika kuwa ilitokea ndani ya sekunde mia chache za Big Bang.

Nucleosynthesis ya Big Bang ilitokeaje Mara ya kwanza, protoni na neutrons pamoja na kuunda deuterons,\(^2H\). Deuteron ilichukua neutron kuunda triton,\(^3H\) - kiini cha hidrojeni ya mionzi inayoitwa tritium. Deuteroni pia aliteka protoni kutengeneza heliamu\(^3He\). \(^3H\)Unapokamata protoni au\(^3He\) kukamata neutroni,\(^4He\) matokeo ya heliamu. Katika hatua hii katika Big Bang, uwiano wa protoni kwa neutroni ulikuwa karibu 7:1. Hivyo, mchakato wa uongofu\(^4He\) kutumika hadi karibu wote neutrons. Mchakato ulidumu kuhusu 3 dakika na karibu\(25\%\) ya jambo lote limegeuka\(^4He\), pamoja na asilimia ndogo ya\(^2H\),\(^3H\) na\(^3He\). Tiny kiasi cha\(^7Li\) na\(^7Be\) pia sumu. Upanuzi wakati huu ulipoza ulimwengu wa kutosha kwamba athari za nyuklia zimesimama. Wengi wa nuclei ya mwanga\(^2H\),\(^4He\), na\(^7Li\) kuundwa baada ya Big Bang ni tegemezi sana juu ya wiani wa suala hilo.

Wengi uliotabiriwa wa vipengele katika ulimwengu hutoa mtihani mkali wa Big Bang na Big Bang nucleosynthesis. Makadirio ya hivi karibuni ya majaribio ya wiani wa jambo kutoka kwa Probe ya Wilkinson Microwave Anisotropy (WMAP) yanakubaliana na utabiri wa mfano. Mkataba huu hutoa ushahidi wa kushawishi wa mfano wa Big Bang.

Cosmic microwave Back

Kwa mujibu wa mifano ya cosmological, tukio la Big Bang linapaswa kushoto nyuma ya mionzi ya joto inayoitwa mionzi ya microwave ya asili ya cosmic (CMBR). Ukubwa wa mionzi hii inapaswa kufuata curve ya mionzi ya blackbody (Photons na Matter Waves). Sheria ya Wien inasema kwamba wavelength ya mionzi katika kiwango cha kilele ni

\[\lambda_{max} = \dfrac{2.898 \times 10^{-3} \, m \cdot K}{T}, \nonumber \]

ambapo T ni joto katika kelvins. Wanasayansi walitarajia upanuzi wa ulimwengu “kunyoosha nuru,” na joto liwe chini sana, hivyo mionzi ya asili ya cosmic inapaswa kuwa ya muda mrefu ya wavelength na nishati ya chini.

Kielelezo\(\PageIndex{3}\): Ramani hii ya anga inatumia rangi kuonyesha kushuka kwa thamani, au wrinkles, katika microwave cosmic background aliona na spacecraft WMAP. Njia ya Milky imeondolewa kwa uwazi. Nyekundu-inawakilisha joto la juu na wiani mkubwa, wakati bluu inaonyesha joto la chini na wiani. Ramani hii haipingana na madai ya awali ya urembo kwa sababu kushuka kwa thamani kubwa ni sehemu moja tu katika milioni moja.

Katika miaka ya 1960, Arno Penzias na Robert Wilson wa Bell Laboratories waliona kwamba bila kujali walivyofanya, hawakuweza kuondokana na kelele ya nyuma ya kukata tamaa katika mfumo wao wa mawasiliano ya satelaiti. Kelele ilitokana na mionzi na wavelengths katika kiwango cha sentimita (kanda ya microwave). Baadaye, kelele hii ilihusishwa na mionzi ya asili ya cosmic. Ramani ya ukubwa wa mionzi ya asili ya cosmic inaonekana kwenye Kielelezo\(\PageIndex{3}\). Wigo wa mafuta unatokana vizuri na Curve ya blackbody ambayo inalingana na joto\(T = 2.7 \, K\) (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{4}\): Ugawaji mkubwa wa mionzi ya asili ya microwave. Utabiri wa mfano (mstari) unakubaliana vizuri sana na matokeo ya majaribio (dots). Maadili ya mzunguko na mwangaza huonyeshwa kwenye mhimili wa logi. (mikopo: George Smoot/NASA COBE Project)

Kuundwa kwa atomi katika ulimwengu wa mwanzo hufanya atomi hizi kuwa na uwezekano mdogo wa kuingiliana na nuru. Kwa hiyo, photons ambazo ni za mionzi ya asili ya cosmic lazima zimejitenga na suala kwenye joto la T linalohusishwa na 1 eV (nishati ya ionization ya takriban ya atomi). Joto la ulimwengu katika hatua hii lilikuwa

\[k_BT \sim 1 \, eV \Rightarrow T = \dfrac{1 \, eV}{8.617 \times 10^5 eV/K} \sim 10^4 \, K. \nonumber \]

Kwa mujibu wa mifano ya cosmological, wakati ambapo photons mwisho kutawanyika ochembe kushtakiwa ilikuwa takriban miaka 380,000 baada ya Big Bang. Kabla ya wakati huo, jambo katika ulimwengu lilikuwa katika fomu ya plasma na photons walikuwa “thermalized.”

Antimatter na Matter

Tunajua kutokana na uchunguzi wa moja kwa moja kwamba antimatter ni nadra. Dunia na mfumo wa jua ni karibu safi, na sehemu kubwa ya ulimwengu pia inaonekana inaongozwa na jambo. Hii inathibitishwa na ukosefu wa mionzi ya uharibifu inayokuja kwetu kutoka nafasi, hasa ukosefu wa jamaa wa\(\gamma\) mionzi ya 0.511-MEV iliyoundwa na uharibifu wa pamoja wa elektroni na positrons. (Antimatter katika asili imeundwa katika migongano ya chembe na katika\(\beta^+\) kuoza, lakini kwa kiasi kidogo ambacho huangamiza haraka, na kuacha jambo karibu safi.)

Licha ya utawala ulioonekana wa suala juu ya antimatter katika ulimwengu, Mfano wa kawaida wa mwingiliano wa chembe na kipimo cha majaribio unaonyesha tofauti ndogo tu katika njia ambazo jambo na antimater huingiliana. Kwa mfano, uharibifu wa kaon usio na upande wowote huzalisha jambo kidogo zaidi kuliko antimatter. Hata hivyo, ikiwa kwa njia ya kuoza kama hiyo, jambo kidogo zaidi kuliko antimater lilizalishwa katika ulimwengu wa mwanzo, wengine wangeweza kuharibu jozi kwa jozi, na kuacha jambo la kawaida kuunda nyota na galaxi. Kwa njia hii, idadi kubwa ya nyota tunayoyaona inaweza kuwa mabaki madogo tu ya suala la awali lililoundwa katika Big Bang.

Mambo ya giza na Nishati ya giza

Katika miongo miwili iliyopita, mbinu mpya na zenye nguvu zaidi zimefunua kwamba ulimwengu umejaa suala la giza. Aina hii ya suala ni ya kuvutia na muhimu kwa sababu, kwa sasa, wanasayansi hawajui ni nini! Hata hivyo, tunaweza kudhani kuwepo kwake kwa kufuta nyota ya mbali. Kwa mfano, ikiwa mwanga kutoka galaxy ya mbali hupigwa na uwanja wa mvuto wa jambo la giza kati yetu na galaxy, inawezekana kwamba picha mbili za galaxy sawa zinaweza kuzalishwa (Kielelezo\(\PageIndex{5}\)). Kupigwa kwa mwanga kwa uwanja wa mvuto wa suala huitwa lensing ya mvuto. Katika hali nyingine, nyota husafiri kwa mwangalizi kwa njia nyingi karibu na galaxy, huzalisha pete (Kielelezo\(\PageIndex{6}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{5}\): Mwanga kutoka nyota ya mbali umezunguka galaxy. Chini ya hali nzuri, picha mbili za duplicate za nyota moja zinaweza kuonekana.

Kulingana na utafiti wa sasa, mwanasayansi anajua tu kwamba suala la giza ni baridi, linakwenda polepole, na huingiliana dhaifu na jambo la kawaida. Dark jambo wagombea ni pamoja na neutralinos (washirika wa Z bosons, photons, na Higgs bosons katika “supersymmetry nadharia”) na chembe kwamba kuenea katika pete vidogo kuanzisha na vipimo ziada anga.

Kielelezo\(\PageIndex{6}\): Mwanga kutoka nyota ya mbali umezunguka galaxy. Chini ya hali nzuri, tunaweza kuona pete ya mwanga badala ya nyota moja. (mikopo: ESA/Hubble & NASA)

Vipimo vya astronomia vinavyozidi sahihi vya ulimwengu unaopanuka huonyesha pia kuwepo kwa aina mpya ya nishati inayoitwa nishati ya giza. Nishati hii inafikiriwa kueleza maadili makubwa-kuliko-inatarajiwa kwa mabadiliko ya redshifts ya galaksi ya mbali. Mabadiliko haya yanaonyesha kwamba ulimwengu sio kupanua tu, lakini kupanua kwa kiwango cha kuongezeka. Karibu hakuna kitu kinachojulikana kuhusu asili na mali ya nishati ya giza. Pamoja, nishati ya giza na suala la giza huwakilisha puzzles mbili za kuvutia zaidi na zisizotengenezwa za fizikia ya kisasa. Wanasayansi wanasema nishati\(68.3 \%\) ya ulimwengu kwa nishati ya giza,\(26.8\%\) kwa jambo la giza, na tu\(4.9\%\) kwa nishati ya wingi wa chembe za kawaida (Kielelezo\(\PageIndex{7}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{7}\): Idadi ya usambazaji wa suala na nishati katika ulimwengu. (mikopo: NASA/WMAP Sayansi Team)

Kutokana na siri kubwa ya sasa juu ya asili ya suala giza na nishati ya giza, maneno ya unyenyekevu wa Isaac Newton ni kweli sasa kama ilivyokuwa karne zilizopita: “Sijui nini naweza kuonekana kwa ulimwengu, lakini mimi mwenyewe ninaonekana kuwa tu kama mvulana anayecheza kwenye pwani ya bahari, na kujitenga mwenyewe sasa na kisha wakipata jiwe laini au shell nzuri kuliko kawaida, wakati bahari kubwa ya kweli ikaweka yote yasiyojulikana mbele yangu.”