На самых ранних стадиях Вселенной, до появления протонов и нейтронов, у нас была кварк-глюонная плазма.
История нашей космической истории - это история расширения и охлаждения Вселенной. По мере того, как мы переходили от горячего, плотного, однородного состояния к холодному, разреженному, комковатому, на протяжении всей нашей космической истории происходил ряд важных событий. В момент горячего Большого взрыва Вселенная была заполнена всевозможными частицами сверхвысокой энергии, античастицами и квантами излучения, движущимися со скоростью света или близкой к ней.
С другой стороны, сегодня у нас есть Вселенная, заполненная звездами, галактиками, газом, пылью и многими другими явлениями, энергия которых слишком мала, чтобы существовать в ранней Вселенной. Как только все остынет настолько, что бозон Хиггса даст массу Вселенной, можно подумать, что тут же сформируются протоны и нейтроны. Но они не могли существовать сразу. Вот история их появления.
В тепле ранней Вселенной, но после того, как фундаментальные частицы приобрели массу покоя, у нас есть все энергетически возможные комбинации частиц и античастиц, возникающие и исчезающие. Есть:
- кварки и антикварки,
- лептоны и антилептоны,
- нейтрино и антинейтрино,
- , а также калибровочные бозоны,
все они существуют до тех пор, пока есть достаточно энергии (E) для создания этих частиц с заданными массами (m) в соответствии с E=mc² Эйнштейна. Частицы приобретают массу всего через 100 пикосекунд (10^-10 с) после начала горячего Большого взрыва, но протонов и нейтронов еще нет.
Наоборот, Вселенная настолько горячая и плотная, что то, что у нас есть, известно как кварк-глюонная плазма. Причина этого нелогична, если единственные силы, с которыми вы знакомы, - это гравитация и электромагнетизм. В этих случаях силы становятся сильнее по величине, чем ближе вы приближаете две частицы. Уменьшите вдвое расстояние между двумя электрическими зарядами, а сила между ними увеличится в четыре раза; уменьшите вдвое расстояние между двумя массами, и сила может даже увеличиться более чем в четыре раза, как диктует Общая теория относительности.
Но возьмите два кварка, антикварка или комбинацию кварк-антикварк, например, и уменьшите вдвое расстояние между ними, и сила сильного ядерного взаимодействия, которое связывает их вместе, сделает что-то совсем другое. Он не увеличивается вчетверо. Он даже не удваивается. Вместо этого сила между ними падает.
Это странно, но именно так на самом деле работают атомные ядра и сильное ядерное взаимодействие. Ниже определенного расстояния сила между любыми двумя частицами с цветным зарядом (кварками и глюонами) на самом деле падает до нуля, только увеличиваясь по мере того, как они удаляются друг от друга. При высоких температурах и плотностях, существовавших в то самое раннее время, ядерное взаимодействие слишком слабо, чтобы связать что-либо воедино. В результате частицы просто носятся, сталкиваясь друг с другом, создавая новые и аннигилируя.
Но по мере расширения Вселенная охлаждается и становится менее плотной. И со временем становится все труднее создавать более массивные частицы.
Кроме того, за исключением легчайших кварков (верхний и нижний, плюс антиверхний и антинижний) и легчайшего заряженного лептона (электрон плюс позитрон), все остальные частицы неустойчивы к радиоактивному распаду. По мере того, как пикосекунды превращаются в наносекунды, а наносекунды накапливаются в микросекунды, более тяжелые частицы перестают создаваться и исчезают из нашей Вселенной. Первыми исчезают нижние/анти-нижние кварки, за ними следуют тау- и анти-тау-лептоны. Затем идут очарованные/антиочаровательные кварки, за которыми следуют странные/антистранные кварки.
По мере того, как мы теряем все больше и больше комбинаций частица/античастица, они создают большее количество более легких пар частица/античастица, которые все еще могут существовать, но также и большее количество фотонов. Каждый раз, когда мы производим два фотона в результате аннигиляции частицы/античастицы, это немного замедляет охлаждение Вселенной. Вселенная становится холоднее и разреженнее, но она также меняет и то, что в ней есть. На ранних стадиях лишь небольшой, но значительный процент окружающих частиц составляют фотоны, нейтрино и антинейтрино. Но по мере того, как эти частицы начинают исчезать, эти фракции поднимаются все выше и выше.
И по мере того, как Вселенная остывает еще больше, мюоны и антимюоны начинают распадаться, в то же время, когда верхние и нижние кварки (плюс антиверхние и антинижние кварки) начинают расходиться на значительные (фемтометр: 10^-15 м) расстояния. Примерно через 10-20 микросекунд после Большого взрыва мы достигаем критической комбинации температуры и плотности. Теперь мы охладились до температуры около 2 триллионов К (2 × 10¹² К), и теперь кварки и антикварки находятся достаточно далеко друг от друга, чтобы сильное взаимодействие начало становиться существенным.
Подобно тому, как нерастянутая пружина не оказывает силы, а растянутая пружина действует, кварки не ощущают ограничивающей силы, пока не достигнут определенного расстояния. Но как только они это сделают, они становятся связанными.
Постепенно мы совершаем переход: от свободных верхних, нижних, антиверхних и антинижних кварков к связанным протонам, нейтронам, антипротонам и антинейтронам. Вселенная все еще достаточно горячая, чтобы создавать новые комбинации частиц и античастиц, и создавала множество комбинаций верхних/анти-верхних и нижних/анти-нижних кварков, когда все было достаточно плотным.
Но теперь, когда они недостаточно плотны, а вместо них у нас есть протоны и нейтроны (а также антипротоны и антинейтроны), Вселенная недостаточно горяча, чтобы спонтанно создавать новые протоны/антинейтроны. -пары протон или нейтрон/антинейтрон. Это означает, что когда протоны и антипротоны (или нейтроны и антинейтроны) находят друг друга, они аннигилируют, и мы не можем создавать новые.
По мере того, как Вселенная остывает на этой критической стадии, происходит следующее:
- оставшиеся свободные кварки начинают испытывать ограничение, становясь протонами, нейтронами, антипротонами, антинейтронами и пионами (нестабильными частицами, известными как мезоны),
- мезоны распадаются, а антипротоны и антинейтроны аннигилируют с протонами и нейтронами,
- и это оставляет нас только с протонами и нейтронами только потому, что на каком-то более раннем этапе Вселенная создала больше материи, чем антиматерии.
Наконец-то Вселенная начинает напоминать то, что мы узнали бы сегодня. Конечно, жарко и густо. Конечно, нет ни атомов, ни даже атомных ядер. Конечно, он по-прежнему заполнен кучей позитронов (аналог электронов из антивещества) и электронами и все еще спонтанно создает и уничтожает их. Но большая часть того, что существует сейчас, возможно, через 25 микросекунд после начала горячего Большого Взрыва, все еще существует в той или иной форме сегодня. Протоны и нейтроны станут строительными блоками атомов; нейтрино, антинейтрино и фотоны станут частью космического фона; оставшиеся электроны, которые будут существовать, когда пары электрон/позитрон аннигилируют, объединятся с атомными ядрами, чтобы сделать атомы, молекулы и сложные биохимические реакции возможными.
Но на этом этапе самое большое новое, что происходит, это то, что частицы больше не являются индивидуальными и свободными во всех масштабах. Вместо этого Вселенная впервые создала стабильное связанное состояние множества частиц. Протон - это два верхних и один нижний кварк, связанные глюонами, а нейтрон - один верхний и два нижних кварка, связанные глюонами. Только потому, что мы создали больше материи, чем антиматерии, у нас есть Вселенная, в которой остались протоны и нейтроны; только потому, что бозон Хиггса дал массу покоя фундаментальным частицам, мы получаем эти связанные атомные ядра.
Благодаря природе сильного взаимодействия и огромной энергии связи, возникающей в этих растянутых пружинных взаимодействиях между кварками, массы протона и нейтрона примерно в 100 раз тяжелее массы кварки, из которых они состоят. Хиггс дал массу Вселенной, но заточение дает нам 99% нашей массы. Без протонов и нейтронов наша Вселенная никогда не была бы прежней.
Дополнительная информация о том, какой была Вселенная, когда:
- Каково было, когда Вселенная раздувалась?
- Как это было, когда начался Большой Взрыв?
- Каково было, когда Вселенная была самой горячей?
- Как это было, когда Вселенная впервые создала больше материи, чем антиматерии?
- Как это было, когда бозон Хиггса придал Вселенной массу?