29.3: Mwanzo wa Ulimwengu
- Page ID
- 176768
Malengo ya kujifunza
Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:
- Eleza nini ulimwengu ulikuwa kama wakati wa dakika chache za kwanza baada ya kuanza kupanua
- Eleza jinsi vipengele vipya vya kwanza vilivyotengenezwa wakati wa dakika chache za kwanza baada ya Big Bang
- Eleza jinsi yaliyomo ya ulimwengu yanavyobadilika kadiri hali ya joto ya ulimwengu inapungua
Ushahidi bora tunao leo unaonyesha kwamba galaxi za kwanza hazikuanza kuunda hadi miaka milioni mia kadhaa baada ya Big Bang. Ni mambo gani yalikuwa kama kabla kulikuwa na galaxi na nafasi haijawahi kunyoosha kwa kiasi kikubwa? Kwa kushangaza, wanasayansi wameweza kuhesabu kwa undani kile kilichotokea katika ulimwengu katika dakika chache za kwanza baada ya Big Bang.
Historia ya Wazo
Ni jambo moja kusema ulimwengu ulikuwa na mwanzo (kama equations ya jumla relativity inamaanisha) na mwingine kabisa kuelezea mwanzo huo. Ubelgiji kuhani na cosmologist Georges Lemaître pengine alikuwa wa kwanza kupendekeza mfano maalum kwa ajili ya Big Bang yenyewe (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)). Alitazamia suala lote la ulimwengu kuanzia kwa wingi mmoja alioitwa atomi ya kwanza, ambayo ikavunja vipande vingi. Kila moja ya vipande hivi iliendelea kipande zaidi hadi ikawa atomi za sasa za ulimwengu, zilizoundwa katika fission kubwa ya nyuklia. Katika maelezo maarufu ya nadharia yake, Lemaître aliandika, “Mageuzi ya dunia yangeweza kulinganishwa na maonyesho ya fireworks tu kumaliza—baadhi ya wisps chache nyekundu, majivu, na moshi. Kusimama juu ya cinder kilichopozwa vizuri, tunaona kupungua kwa polepole kwa jua na tunajaribu kukumbuka uzuri uliotoweka wa asili ya walimwengu wote.”
Wanafizikia leo wanajua mengi zaidi kuhusu fizikia ya nyuklia kuliko ilivyojulikana katika miaka ya 1920, na wameonyesha kuwa mfano wa kwanza wa fission hauwezi kuwa sahihi. Hata hivyo maono ya Lemaître yalikuwa katika baadhi ya mambo ya kinabii kabisa. Bado tunaamini kwamba kila kitu kilikuwa pamoja mwanzoni; haikuwa tu kwa namna ya suala tunayojua sasa. Kanuni za kimsingi za kimwili zinatuambia kwamba wakati ulimwengu ulikuwa denser sana, pia ulikuwa moto zaidi, na kwamba hupasuka kama unavyozidi, kama vile gesi hupasuka wakati unapopunjwa kutoka kwa erosoli.
Kufikia miaka ya 1940, wanasayansi walijua kwamba fusion ya hidrojeni ndani ya heliamu ilikuwa chanzo cha nishati ya Jua. Fusion inahitaji joto la juu, na ulimwengu wa mapema lazima uwe moto. Kulingana na mawazo haya, mwanafizikia wa Marekani George Gamow (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)) alipendekeza ulimwengu na aina tofauti ya mwanzo ambao ulihusisha fusion ya nyuklia badala ya fission. Ralph Alpher alifanya maelezo ya Thesis yake ya PhD, na matokeo yalichapishwa mwaka wa 1948. (Gamow, ambaye alikuwa na hisia ya ucheshi, aliamua katika dakika ya mwisho kuongeza jina la mwanafizikia Hans Bethe kwenye karatasi yao, ili washirika kwenye karatasi hii kuhusu mwanzo wa mambo watakuwa Alpher, Bethe, na Gamow, pun kwenye barua tatu za kwanza za alfabeti ya Kigiriki: alpha, beta, na gamma.) Ulimwengu wa Gamow ulianza na chembe za msingi ambazo zilijenga vipengele nzito kwa fusion katika Big Bang.
Mawazo ya Gamow yalikuwa karibu na mtazamo wetu wa kisasa, isipokuwa sasa tunajua kwamba ulimwengu wa mapema ulibakia moto wa kutosha kwa fusion kwa muda mfupi tu. Hivyo, elementi tatu nyepesi tu —hidrojeni, heliamu, na kiasi kidogo cha lithiumi—viliumbwa kwa wingi wa thamani mwanzoni. Elementi nzito ziliundwa baadaye katika nyota. Tangu miaka ya 1940 wanaastronomia wengi na fizikia wamefanya kazi katika nadharia ya kina ya kile kilichotokea katika hatua za mwanzo za ulimwengu.
Dakika chache za Kwanza
Hebu tuanze na dakika chache za kwanza zifuatazo Big Bang. Mawazo matatu ya msingi yanashikilia ufunguo wa kufuatilia mabadiliko yaliyotokea wakati tu baada ya ulimwengu kuanza. Ya kwanza, kama tulivyosema tayari, ni kwamba ulimwengu hupungua kama unavyozidi. Kielelezo\(\PageIndex{3}\) kinaonyesha jinsi joto linabadilika na kipindi cha muda. Kumbuka kuwa muda mrefu, kutoka sehemu ndogo ya pili hadi mabilioni ya miaka, ni muhtasari katika mchoro huu. Katika sehemu ya kwanza ya pili, ulimwengu ulikuwa unimaginably moto. Wakati wa pili 0.01 ilipita, joto lilikuwa limeshuka hadi bilioni 100 (\(10^{11}\)) K. baada ya dakika 3, ilikuwa imeshuka kwa karibu bilioni 1 (109) K, bado ni mara 70 zaidi kuliko mambo ya ndani ya jua. Baada ya miaka mia chache, joto lilikuwa chini ya 3000 K tu, na ulimwengu umeendelea kuwa baridi tangu wakati huo.
Joto hizi zote lakini za mwisho zinatokana na mahesabu ya kinadharia tangu (wazi) hakuna mtu aliyekuwapo ili kuzipima moja kwa moja. Kama tutakavyoona katika sehemu inayofuata, hata hivyo, tumegundua mwanga dhaifu wa mionzi iliyotolewa wakati ambapo ulimwengu ulikuwa na umri wa miaka mia elfu chache. Tunaweza kupima sifa za mionzi hiyo ili tujifunze mambo yalivyokuwa kama zamani. Hakika, ukweli kwamba tumepata mwanga huu wa kale ni mojawapo ya hoja kali zaidi kwa ajili ya mfano wa Big Bang.
Hatua ya pili katika kuelewa mageuzi ya ulimwengu ni kutambua kwamba katika nyakati za mwanzo sana, ilikuwa moto sana kwamba ilikuwa na mionzi zaidi (na sio jambo ambalo tunaona leo). Fotoni zilizojaza ulimwengu zinaweza kugongana na kuzalisha chembe za nyenzo; yaani, chini ya hali tu baada ya Big Bang, nishati inaweza kugeuka kuwa jambo (na jambo linaweza kugeuka kuwa nishati). Tunaweza kuhesabu kiasi gani cha molekuli kinazalishwa kutoka kwa kiasi fulani cha nishati kwa kutumia formula ya Einstein\(E = mc^2\) (angalia sura ya The Sun: Nuclear Powerhouse).
Wazo kwamba nishati inaweza kugeuka kuwa jambo katika ulimwengu kwa ujumla ni mpya kwa wanafunzi wengi, kwani sio sehemu ya uzoefu wetu wa kila siku. Hiyo ni kwa sababu, tunapolinganisha ulimwengu leo na kile kilichokuwa kama haki baada ya Big Bang, tunaishi katika nyakati za baridi, ngumu. Photons katika ulimwengu leo huwa na nishati mbali kidogo kuliko kiasi kinachohitajika kufanya jambo jipya. Katika majadiliano juu ya chanzo cha nishati ya jua katika Jua: Nguvu ya nyuklia, tulielezea kwa ufupi kwamba wakati chembe za subatomic za suala na antimater zinapogongana, hugeuka kuwa nishati safi. Lakini reverse, nishati kugeuka katika suala na antimatter, ni sawa iwezekanavyo. Utaratibu huu umezingatiwa katika accelerators ya chembe duniani kote. Ikiwa tuna nishati ya kutosha, chini ya hali nzuri, chembe mpya za suala (na antimater) zinaundwa kwa kweli - na hali zilikuwa sahihi wakati wa dakika chache za kwanza baada ya upanuzi wa ulimwengu ulianza.
Jambo letu la tatu muhimu ni kwamba moto ulimwengu ulikuwa, juhudi zaidi walikuwa photons inapatikana kufanya jambo na antimater (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)). Ili kuchukua mfano maalum, kwa joto la bilioni 6\(\left( 6 \times 10^9 \right)\) K, mgongano wa photons mbili za kawaida zinaweza kuunda elektroni na mwenzake wa antimater, positron. Ikiwa joto linazidi\(10^{14}\) K, protoni nyingi zaidi na antiprotons zinaweza kuundwa.
Mageuzi ya Ulimwengu wa Mapema
Kuweka mawazo haya matatu katika akili, tunaweza kufuatilia mageuzi ya ulimwengu tangu wakati ilikuwa karibu na umri wa pili wa 0.01 na alikuwa na joto la karibu bilioni 100 K. nini usianze mwanzoni? Bado hakuna nadharia ambazo zinatuwezesha kupenya kwa muda kabla ya\(10^{–43}\) pili (namba hii ni hatua ya decimal ikifuatiwa na zero 42 halafu moja). Ni ndogo sana kwamba hatuwezi kuihusisha na chochote katika uzoefu wetu wa kila siku. Wakati ulimwengu ulikuwa mdogo, wiani wake ulikuwa wa juu kiasi kwamba nadharia ya relativity ya jumla haitoshi kuelezea, na hata dhana ya wakati hupungua.
Wanasayansi, kwa njia, wamekuwa na mafanikio zaidi katika kuelezea ulimwengu wakati ulikuwa mkubwa kuliko wa\(10^{–43}\) pili lakini bado chini ya karibu 0.01 ya pili ya zamani. Tutaangalia baadhi ya mawazo haya baadaye katika sura hii, lakini kwa sasa, tunataka kuanza na hali fulani zaidi ya kawaida.
Wakati ulimwengu ulikuwa na umri wa pili wa 0.01, ulikuwa na supu ya suala na mionzi; jambo hilo lilijumuisha protoni na nyutroni, mabaki kutoka kwa ulimwengu mdogo na wa moto zaidi. Kila chembe iligongana haraka na chembe nyingine. Joto halikuwa tena juu ya kutosha kuruhusu photoni za kugongana kuzalisha nyutroni au protoni, lakini ilikuwa ya kutosha kwa ajili ya uzalishaji wa elektroni na positroni (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)). Kulikuwa na pengine pia bahari ya chembe za kigeni za subatomiki ambazo baadaye zingekuwa na jukumu kama jambo la giza. Chembe zote zilitetemeka juu yao wenyewe; bado ilikuwa moto mno kwa protoni na nyutroni kuchanganya ili kuunda viini vya atomi.
Fikiria ulimwengu kwa wakati huu kama chupa yenye kuchochea, na photons zinazogongana na nishati zinazobadilishana, na wakati mwingine zinaharibiwa ili kuunda jozi ya chembe. Vilevile chembe ziligongana na kila mmoja. Mara kwa mara, chembe ya suala na chembe ya antimater ilikutana na kugeuka kuwa mionzi ya gamma-ray.
Miongoni mwa chembe zilizoundwa katika awamu za mwanzo za ulimwengu ilikuwa neutrino ya ghostly (tazama Jua: Nuclear Powerhouse), ambayo leo inakabiliana tu mara chache sana na suala la kawaida. Katika mazingira yaliyojaa msongamano wa ulimwengu wa mapema sana, hata hivyo, neutrinos iliingia katika elektroni nyingi na positroni kiasi kwamba walipata mwingiliano wa mara kwa mara licha ya asili zao za “antisocial”.
Kufikia wakati ulimwengu ulikuwa na umri wa zaidi ya sekunde 1, wiani ulikuwa umeshuka hadi kufikia mahali ambapo neutrinos haijaingiliana tena na jambo bali tu ilisafiri kwa uhuru kupitia angani. Kwa kweli, hizi neutrinos lazima sasa kuwa karibu nasi. Kwa kuwa wamekuwa wakisafiri kupitia nafasi bila kufungwa (na hivyo bila kubadilika) tangu ulimwengu ulikuwa na umri wa pili wa pili, vipimo vya mali zao vinatoa moja ya vipimo bora vya mfano wa Big Bang. Kwa bahati mbaya, tabia sana kwamba inawafanya hivyo muhimu-ukweli kwamba wao kuingiliana hivyo weakly na jambo kwamba wao alinusurika unaltered kwa wote lakini pili ya kwanza ya muda-pia inawafanya hawawezi kupimwa, angalau na mbinu ya sasa. Labda siku moja mtu atapanga njia ya kukamata wajumbe hawa wasio na wasiwasi kutoka zamani.
Fomu ya viini vya atomiki
Ulimwengu ulipokuwa na umri wa dakika 3 na joto lake lilikuwa chini hadi takriban milioni 900 K, protoni na nyutroni ziliweza kuchanganya. Katika joto la juu, viini hivi vya atomiki vilikuwa vimejaa mbali na mwingiliano na photoni za juu-nishati na hivyo hazikuweza kuishi. Lakini katika joto na msongamano ulifikia kati ya dakika 3 na 4 baada ya mwanzo, deuterium (protoni na neutroni) ilidumu kwa muda mrefu wa kutosha kwamba migongano inaweza kubadilisha baadhi yake kuwa heliamu, (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)). Kwa asili, ulimwengu wote ulikuwa ukifanya jinsi vituo vya nyota vinavyofanya leo—fusing elementi mpya kutoka sehemu rahisi. Aidha, kidogo ya kipengele 3, lithiamu, pia inaweza kuunda.
Kupasuka kwa fusion ya cosmic ilikuwa tu kuingilia kwa muda mfupi, hata hivyo. Kwa dakika 4 baada ya Big Bang, heliamu zaidi ilikuwa na shida ya kutengeneza. Ulimwengu ulikuwa bado unapanua na kupungua. Baada ya kuundwa kwa heliamu na lithiamu fulani, joto lilikuwa limeshuka sana kiasi kwamba fusion ya nuclei ya heliamu kuwa elementi bado nzito haikuweza kutokea. Hakuna mambo zaidi ya lithiamu inaweza kuunda katika dakika chache za kwanza. Kipindi hicho cha dakika 4 kilikuwa mwisho wa wakati ambapo ulimwengu wote ulikuwa kiwanda cha fusion. Katika ulimwengu wa baridi tunajua leo, fusion ya vipengele vipya ni mdogo kwa vituo vya nyota na milipuko ya supernovae.
Hata hivyo, ukweli kwamba mfano wa Big Bang inaruhusu kuundwa kwa mpango mzuri wa heliamu ni jibu la siri ya muda mrefu katika astronomy. Kwa kifupi, kuna heliamu nyingi mno ulimwenguni ili kuelezewa na kile kinachotokea ndani ya nyota. Vizazi vyote vya nyota vilivyozalisha heliamu tangu Big Bang haziwezi kuhesabu kiasi cha heliamu tunachunguza. Zaidi ya hayo, hata nyota za kale zaidi na galaxi za mbali zinaonyesha kiasi kikubwa cha heliamu. Uchunguzi huu hupata maelezo ya asili katika awali ya heliamu na Big Bang yenyewe wakati wa dakika chache za kwanza za muda. Tunakadiria kwamba heliamu zaidi ya mara 10 ilitengenezwa katika dakika 4 za kwanza za ulimwengu kuliko katika vizazi vyote vya nyota wakati wa miaka bilioni 10 hadi 15 iliyofanikiwa.
Hizi michoro nzuri kwamba kueleza njia ambayo mambo mbalimbali sumu katika historia ya ulimwengu ni kutoka Chuo Kikuu cha Chicago Origins ya Elements tovuti.
Kujifunza kutoka Deuterium
Tunaweza kujifunza mambo mengi kutokana na jinsi ulimwengu wa mwanzo ulivyotengeneza viini vya atomiki. Inageuka kuwa deuterium yote (kiini cha hidrojeni na neutron ndani yake) katika ulimwengu iliundwa wakati wa dakika 4 za kwanza. Katika nyota, eneo lolote lolote la moto kutosha kuunganisha protoni mbili kuunda kiini cha deuteriamu pia ni moto wa kutosha kukibadilisha zaidi—ama kwa kuiharibu kupitia mgongano na fotoni yenye nguvu au kwa kuigeuza kuwa heliamu kupitia athari za nyuklia.
Kiasi cha deuterium ambacho kinaweza kuzalishwa katika dakika 4 za kwanza za uumbaji inategemea wiani wa ulimwengu wakati deuterium ilipoundwa. Kama wiani ungekuwa juu kiasi, karibu deuteriamu yote ingebadilishwa kuwa heliamu kupitia mwingiliano na protoni, kama ilivyo katika nyota. Ikiwa wiani ulikuwa mdogo, basi ulimwengu ungekuwa umepanua na kupondwa kwa haraka kwa kutosha kwamba baadhi ya deuterium ingekuwa imeishi. Kiasi cha deuterium tunachokiona leo hivi kinatupa kidokezo cha wiani wa ulimwengu wakati ulikuwa na umri wa dakika 4. Mifano ya kinadharia inaweza kuhusisha wiani halafu kwa wiani sasa; hivyo, vipimo vya wingi wa deuterium leo vinaweza kutupa makadirio ya wiani wa sasa wa ulimwengu.
Vipimo vya deuteriamu vinaonyesha kwamba wiani wa sasa wa jambo la kawaida—protoni na nyutroni-ni karibu\(5 \times 10^{–28} \text{ kg/m}^3\). Deuteriamu inaweza tu kutoa makadirio ya wiani wa jambo la kawaida kwa sababu wingi wa deuteriamu hutambuliwa na chembe zinazoingiliana ili kuunda, yaani protoni na nyutroni pekee. Kutokana na wingi wa deuterium, tunajua kwamba protoni na neutroni za kutosha zipo, kwa sababu ya karibu 20, ili kuzalisha ulimwengu wa wiani muhimu.
Tunajua, hata hivyo, kwamba kuna chembe za suala la giza ambazo huongeza wiani wa jumla wa jambo la ulimwengu, ambalo ni la juu zaidi kuliko kile kinachohesabiwa kwa jambo la kawaida pekee. Kwa sababu chembe za sura za giza haziathiri uzalishaji wa deuteriamu, kipimo cha wingi wa deuteriamu hakiwezi kutuambia ni kiasi gani jambo la giza lipo. Suala la giza linafanywa kwa aina fulani ya chembe ya kigeni, bado haijaonekana katika maabara yoyote ya ardhi. Ni dhahiri si alifanya ya protoni na nyutroni kama wasomaji wa kitabu hiki.
Muhtasari
Lemaître, Alpher, na Gamow kwanza walifanya kazi mawazo ambayo leo huitwa nadharia ya Big Bang. Ulimwengu hupungua kama unavyozidi. Nishati ya photoni imedhamiriwa na joto lao, na mahesabu yanaonyesha kuwa katika ulimwengu wa moto, mapema, photoni zilikuwa na nishati nyingi ambazo zikigongana, zinaweza kuzalisha chembe za nyenzo. Ulimwengu ulipopanuka na kupozwa, protoni na nyutroni zilianzishwa kwanza, halafu zikaja elektroni na positroni. Kisha, athari za fusion zilizalisha deuterium, heliamu, na viini vya lithiamu. Vipimo vya wingi wa deuterium katika ulimwengu wa leo unaonyesha kwamba jumla ya suala la kawaida katika ulimwengu ni karibu 5% tu ya wiani muhimu.
faharasa
- deuteriamu
- aina ya hidrojeni ambamo kiini cha kila atomu kina protoni moja na neutroni moja
- mchanganyiko
- ujenzi wa nuclei nzito ya atomiki kutoka kwa nyepesi
- lithiamu
- kipengele cha tatu katika meza ya mara kwa mara; viini vya lithiamu na protoni tatu na neutroni nne vilitengenezwa wakati wa dakika chache za kwanza za upanuzi wa ulimwengu