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= 8,616×10-14 GeV/˚K)
= 4 x 1032˚, man kan ikke tale om højere temperaturer indenfor den fysik vi kender til.) 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 vædi 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

neutrino
er 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 antalformindskes 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.

inflation_radius

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
Rækkeviddei 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 orTemperature 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
ee+ Annihilation < 5 sec < 3×1019 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 < 8×1024 cm > 3 ev Mass density fluctuations Matter density ~ radiation density
Recom-bination < 0.4 My < 5×1025 cm > 3000oK CMBR e and p+ recombine into H
atoms, universe
transparent to light
Dark ages < 1 Gy < 3×1027 cm > 15oK First stars,
heavy
elements
mass fluctuations grow, first small objects coalesce,
reionization
Galaxy
formation
< 2 Gy < 4×1027 cm > 10oK
Stars
,
quasars
, galaxies
Collapse to galactic systems
Bright ages < 13 Gy < 9.7×1027 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.

**)

 

Hvorfor voksede det

Hvis vi ser på en lille masse m, der ligger på en kugleskal, og der inde ibb1
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 ogbb2
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.