Princip antropije, Bariogeneza

Teorija inflacije pokazuje da dijelić volumena Svemira koji ima neka vlastita svojstva ne ovisi o vremenu. Svaki dio evoluira (se razvija) posebno tijekom vremena, ali Svemir kao cjelina pri tome može biti stacionaran (nepromjenjiv) s obzirom da (a bez da pri tom) svojstva pojedinih djelova ne ovise o početnim uvjetima.

Bariogeneza

2.1 Bariogeneza

Kako se Svemir postepeno hladio pojavljuje se postepeno blaga asimetrija (neravnomjernost) koja ide u smjeru materije. Materija koja je masivna je istovremeno i nestabilna, naročito pri visokim temperaturama koje su prisutne u ranom Svemiru. Materija malene mase je stabilna, ali je u veoma velikoj opasnosti da bude uništena uslijed zračenja veoma velike energije (fotoni).

Prijevod sa slike: Materija velike mase je manje stabilna u odnosu na materiju male mase, i ima znatno kraći životni vijek

Kako se volumen Svemira povećavao, životni vijek stabilne materije (odnosno vrijeme između njenih kolizija sa fotonima) se povećavalo. To znači da se vrijeme koje je materiji na raspolaganju za interakciju sa drugom materijom također povećavalo.

Svemir evoluira iz čiste, domene u kojoj je dominirala energija u sve manje uređenu, domenu u kojoj dominira materija, tj. entropija sve više napreduje.

Posljednje dvije etape konstrukcije materije su kombiniranje grupe triju kvarkova u barione (protone i neutrone), i zatim prikupljanje elektrona od strane protona/neutrona u jezgri kako bi se konačno formirali atomi. Konstrukcija bariona naziva se bariogeneza.

Bariogeneza nastupa oko 1 sekunde nakon Big bang-a. Ravnotežni proces koji pri tome djeluje je balans (ravnoteža) između jake sile koja veže kvarkove u protone i neutrone nasuprot dijeljenja parova kvarkova da bi se zatim opet formirali novi parovi kvarkova. U trenutku kada se temperatura Svemira snizi na točku pri kojoj više nema dovoljno energije da bi se stvarali novi kvarkovi, trenutno prisutni kvarkovi su u mogućnosti povezati se u stabilne trojke (grupe od tri kvarka).

Kako se sve anti-čestice anihiliraju (poništavaju) u sudarima se svojim materijskim parovima (kopijama) (ostavljajući pri tome malen postotak čestica materije) preostali dio čestica u Svemiru ostaje u obliku fotona, elektrona, protona i neutrona. Svi parovi kvarkova su se preformirali (pretvorili) u barione (protone i neutrone). Jedino oko egzotičnih objekata, kao što su crne rupe, možemo još pronaći nešto anti-materije ili mezone (parove kvarkova) ili neke druge čudne vrste materije koju je nekada bilo moguće naći posvuda u ranom (ranoj fazi) Svemiru.

2.2 Materija nasuprot antimaterije

Nedugo nakon drugog raspada simetrije (GUT era), još uvijek je prisutno dovoljno energije da bi nastala (se proizvela) materija uslijed produkcije parova (pair production), radije nego da se formiraju kvarkovi. Međutim, gustoća je još uvijek tako velika da svaka čestica materije i anti-materije koja nastane je veoma brzo uništena uslijed kolizije sa drugom česticom, u ciklusu koji nazivamo ekvilibrijum.

Prijevod sa slike:
Ekvilibrij čestica
Stanje ekvilibrija čestica postoji kada je broj čestica koje nastaju upravo jednak broju anihilacija (čestica koje se poništavaju). Uobičajeno je ovo posljedica činjenica da materija nema vremena za nestajanje (raspadanje) ili kombiniranje u neku novu formu (oblik) prije nego se sudari sa anti-česticom
Uočite da proces ekvilibrijuma održava broj čestica materije i anti-materije jednakim.

Uočite da ovaj proces (zajedno sa formiranjem kvarkova), u svakom trenutku, proizvodi jednak broj čestica materije i anti-materije, ukoliko bi proces formiranja kvarkova u bilo kojem trenutku prestao, tada bi se sveukupna materija i anti-materija u konačnici sudarila i Svemir bi bio u potpunosti sastavljen jedino od fotona. Drugim riječima, s obzirom da je prisutan jednak broj čestica materije i anti-materije uslijed produkcije parova (pair production) zbog čega je onda Svemir sastavljen pretežno od materije? Anti-materija je izuzetno rijetka u ovom trenutku, dok je istovremeno prisutno mnoštvo materije.

Ova asimetrija se naziva zagonetkom (problemom) materije/anti-materije. Zbog čega je, ukoliko su čestice kreirane simetrično poput materije i anti-materije u Svemiru danas prisutna dominacija materije nad anti-materijom. Teoretski, sveukupna materija i anti-materija su se trebale međusobno poništiti i Svemir bi bio ocean fotona.

Prijevod sa slike:
Anihilacija (Poništavanje)
S obzirom da je materija i anti-materija nastala u jednakim količinama, krajnji rezultat će biti masivna anihilacija svih čestica

Nije slučaj da je Svemir ispunjen isključivo sa fotonima (to možemo zaključiti ukoliko se osvrnemo oko sebe). I nije slučaj da je 1/2 Svemira materija, a druga polovina anti-materija (u tom slučaju bilo bi mnogo eksplozija).

Zbog toga, određeni mehanizam proizvodi više čestica materije nego čestica anti-materije. Koliko je snažna ova asimetrija? Ne možemo se vratiti natrag u prošlost i prebrojiti broj parova materije/anti-materije, ali zato možemo brojiti fotone koji pripadaju kozmičkoj pozadini i koji su preostali nakon anihilacije. Prebrojavanje nam daje vrijednost od 1 čestice materije na svakih 1010 fotona, što znači da je asimetrija između materije i anti-materije bila 1 naprema 10.000.000.000.

To znači da na svakih 10.000.000.000 čestice anti-materije postoji 10.000.000.001 čestica materije, asimetrija od 1 čestice na svakih 10 milijardi čestica. Krajnji rezultat ovog je da svakih 10 milijardi parova materije/anti-materije anihiliraju jedan drugoga ostavljajući iza sebe 1 česticu i 10 milijardi fotona koji tvore kozmičko pozadinsko zračenje, eho (odjek) Velikog praska kojeg mi danas mjerimo. Ovaj omjer materije i fotona naziva se barionskim brojem.

Iako je barionski broj ekstremno malen (10-10) zašto on nije jednak nula? U Prirodi, postoje samo tri prirodna broja, 0, 1 i beskonačno. Svi drugi brojevi traže objašnjenje. Što je izazvalo asimetriju od te jedne ekstra čestice na svakih 10 milijardi parova materije/anti-materije?

Jedan od odgovora je da se asimetrija događa jer je Svemir izvan ekvilibrija (ravnoteže). Ovo je zasigurno točno jer se Svemir širi, a dinamična stvar je izvan ekvilibrija (jedino su statične tvari stabilne). Postoje li određene točke u povijesti Svemira u kojima je sistem izvan ekvilibrija, trenutak raspada simetrije. Primjetite također da tijekom ere inflacije, bilo koja asimetrija u mikroskopskom svijetu bi kasnije bila pojačana (uvećana) u makroskopskom svijetu. Jedna takva vrsta asimetrije je CP narušavanja (CP voilation).

2.3 CP (Charge-Parity rule) narušavanje

Kako se Svemir širio i hladio i proces stvaranja i anihilacije parova materije/anti-materije je usporavao. Ubrzo materija i anti-materija imaju dovoljno vremena da nastupe drugi nuklearni procesi, poput nuklearnog raspada. Mnoge neobične čestice, masivni bozoni ili mezoni, mogu prolaziti kroz proces raspada u manje čestice. Ukoliko je Svemir izvan ekvilibrija (ravnoteže), u tom slučaju proces raspada, koji je određen zakonima koji proizlaze iz Prirode, može postati neuravnotežen ukoliko postoji određena asimetrija u načinu na koji su čestice u interakciji (međudjelovanju). To bi rezultiralo proizvodnjom viška čestica materije, prije nego jednakog broja (količine) materije i anti-materije.

U kvantnom svijetu, postoji velik broj simetričnih odnosa. Na primjer, postoji simetrija između materije i anti-materije. Za svaku česticu materije, postoji odgovarajuća čestica anti-materije suprotnog naboja. Tijekon 1960-ih, otkriveno je da neki tipovi čestica nemaju očuvano pravilo lijeve ili desne ruke tijekom raspada u druge tipove čestica. Ovo svojstvo, nazvano parnost (parity), se narušava u veoma malom broju interakcija u istom trenutku dolazi i do raspada simetrije naboja pa zbog toga ovu pojavu nazivamo CP narušavanja (CP violation).

3 Nukleosinteza

3.1 Nukleosinteza

Svemir je u ovom trenutku star 1 minutu, i sva anti-materija je uništena anihilacijom sa materijom. Materija koja je preostala je u obliku elektrona, protona i neutrona. Kako tempreatura nastavlja opadati, protoni i neutroni prolaze kroz fuziju i formiraju se teže atomske jezgre. Ovaj proces nazivamo nukleosintezom.

Prijevod sa slike:
Nukleosinteza
Kako se Svemir hladio, protoni i neutroni se moglu fuzirati (sjediniti) kako bi formirali teže atomske jezgre

Sve je teže i teže stvaranje jezgri sa velikim masama. Zbog toga je najčešća tvar (materija) koju pronalazimo u Svemiru vodik (jedan proton), iza kojeg dolaze helij, litij, berilij i bor (prvi elementi u periodnom sustavu). Formiraju se izotpi, poput deuterija (izotop vodika; njegov spoj sa kisikom daje „tešku vodu“; odnos količine deuterija prema vodiku u prirodi je 1:5000) i tritija (radioaktivni izotop vodika, znak T), međutim ovi elementi nisu stabilni i raspadaju se u slobodne protone i neutrone.

Osnovno jest da je odnos vodika i helija izuzetno osjetljiv na gustoću materije u Svemiru (paramater koji određuje da li je Svemir otvoren, ravan (plosnat) ili zatvoren). Što je veća gustoća, više helija se proizvodi tijekom ere nukleosinteze. Trenutna mjerenja ukazuju da 75% mase Svemira je u formi vodika, 24% u formii helija, a preostalih 1% čine ostali elementi periodnog sustava (uočite da se naše tijelo sastoji uglavnom od ovih elemenata „u tragovima“). Uočite i da s obzirom da helij ima 4 puta veću masu od vodika, broj atoma vodika je 90%, a da je broj atoma helija 9% ukupnog broja atoma u Svemiru.

Postoji preko 100 prirodno prisutnih elemenata u Svemiru čijom klasifikacijom gradimo periodni sustav elemenata. Najlakši elementi su nastali u ranom Svemiru. Elementi koji se nalaze između bora i željeza (atomski broj 26) su nastali u središtima zvijezda termonuklearnom fuzijom, koja je izvor snage u svim zvijezdama.

Fuzija proizvodi energiju, koja održava temperaturu središta zvijezde dovoljno visokom kako bi se razina (stopa) reakcija održala dovoljno visokom. Fuzija novih elemenata je uravnotežena raspadanjem jezgri uz pomoć visoko energetskih gama-zraka. Gama zrake u središtima zvijezda imaju sposobnost raskidanja jezgri, pri čemu dolazi do emitiranja slobodnih protona i neutrona. Ukoliko se reakcije odvijaju dovoljno velikom stopom (učestalošću), tada nastaje tok energije.

Fuzija elemenata sa atomskim brojevima (brojen protona) većim od 26 koristi više energije nego što se prozvodi reakcijom. Zbog toga se, elementi koji su teži od željeza ne mogu koristiti kao gorivo u zvijezdama. I zbog toga se, elementi teži od željeza ne proizvode u zvijezdana, pa se možemo zapitati gdje je njihov izvor?

Nastajanje elemenata težih od željeza uključuje proces nukleosinteze uslijed sakupljanja (hvatanja) neutrona. Jezgra može uhvatiti ili se fuzirati sa neutronom jer je neutron električno neutralan i, zbog toga, se ne odbija od jezgre poput protona. U svakodnevnom životu, slobodni neutroni su rijetki jer imaju kratak poluživot prije nego što se radioaktivno raspadnu. Svako zarobljavane neutrona proizvodi izotop, neki od njih su stabilni, neki su nestabilni. Nestabilni izotopi se raspadaju emitirajući pri tom pozitron i neutrino kako bi se formirao novi element.

3.2 Ionizacija

Posljednja faza proizvodnje materije započinje kada se Svemir dovoljno ohladio tako da se elektroni počinju kombinirati sa jezgrama protona/neutrona i formiraju se atomi. Neprestani sudari fotona izbijaju elektrone iz atoma u procesu koji nazivamo ionizacijom. Niže temperature znače fotone sa manjom energijom i manji broj kolizija. Zbog toga, atomi postaju stabilniji, a to se događa oko 15 minuta nakon Big Bang-a.

Prijevod sa slike:
Rekombinacija
Kako se Svemir širio i hladio, protoni i elektroni se kombiniraju kako bi formirali vodik (najčešći element u Svemiru). Jezgre helija se kombiniraju sa elektronima kako bi formirale atoma helija. Ovaj proces nazivamo rekombinacijom.

Ovi atomi su sada slobodni pa se mogu povezivati i tako formirati jednostavne tvorevine, molekule, itd. A to su gradivni elementi galaksija i zvijezda.

3.3 Dominacija zračenja/materije

Čak i nakon anihilacije materije i anti-materije i formiranja protona, neutrona i elektrona, Svemir je još uvijek opasno i izuzetno aktivno okruženje. Fotoni nastali tijekom epohe anihilacije materije i anti-materije postoje u izuzetno velikom broju i imaju energije na razini X-zraka.

Zračenje, u obliku fotona, i materije, u obliku protona, neutrona i elektrona, mogu međusobno djelovati u procesima rasprskavanja (raspadanja). Fotoni se odbijaju od elementarnih čestica, poput biljarskih kugli. Energija fotona se prenosi na čestice materije. Udaljenost koju foton može prijeći prije sudaranja sa česticom materije nazivamo srednjim slobodnim putem (mean free path).

Prijevod sa slike:
Srednji slobodni put
Sve čestice, uključujući fotone, su ometane uslijed sudara sa ostalim česticama na način da je njihov put kroz prostor sve kraći kako se gustoća prostora povećava. Ova karakteristična dužina puta naziva se srednji slobodni put.

Svemir je neproziran (gust) u trenutcima kada je njegova gustoća velika (srednji slobodni put fotona je veoma kratak), kako gustoća opada sa vremenom, Svemir postaje sve transparentniji (prozirniji) (srednji slobodni put fotona postaje veoma velik).

S obzirom da su materija i fotoni u stalnom kontaktu, njihove temperature su jednake, ovaj proces nazivamo termalizacijom. Uočite također da se materija ne može povezati uslijed gravitacije. Učinak udara fotona održava čestice materije međusobno razdvojene i ravnomjerno distribuirane.

Gustoća i temperatura Svemira nastavljaju opadati kako se Svemir širi. U nekom trenutku na oko 15 minuta od Big Bang-a temperatura je opala toliko da više ne nastupa ionizacija. Formiraju se neutralni atomi, atomske jezgre okružene oblacima elektrona. Broj slobodnih čestica značajno opada (svi protoni, neutroni i elektroni formiraju atome). I odjednom su fotoni slobodni i mogu putovati bez sudara, ovo nazivamo razdvajanjem (decoupling).

Prijevod sa slike:
Posljednja epoha rasipanja
Kako se Svemir hladio, slobodni elektroni i protoni su se konačno mogli međusono povezati kako bi formirali atome vodika. U istom trenutku, Svemir se probrazio iz prostora bogatog plazmom u prostor ispunjen plinom neutralnog vodika.
U plazmi je srednji slobodni put fotona veoma kratak. U plinu atoma vodika, srednji slobodni put je veoma dugačak, dugačak upravo koliko je Svemir velik. Zbog toga, tranzicija (prelazak) iz prvotne plazme u atome vodika nazivamo epohom posljednjeg rasipanja, točkom u vremenu kada su fotoni postali slobodni putovati bez prepreka.

Svemir u toj točki postaje transparentan (proziran). Prije ove epohe, fotoni nisu mogli putovati duže od neoliko centimetara prije kolizije (sudara). Zbog toga je promatračeva linija promatranja bila dugačka samo nekoliko centimetara i Svemir je bio neproziran, materija i radijacija (zračenje) su bili povezani. To je tranzicija iz ere radijacije u eru materije.

PROČITAJ / PREUZMI I DRUGE SEMINARSKE RADOVE IZ OBLASTI: