| |
 |
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.
Mere om Planck enheder (på denne og mange andre sider er brugt
ħ, så værdierne ovenfor er lidt anderledes, men jeg synes det er mere
logisk at bruge h)
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, eller
her.
**)
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.
Her er
mere om kosmologi |
|
Hjem
