Dupa cum afirma stiinta actuala, primele trei
minute au fost esentiale in constituirea aceea ce am ajuns astazi,
dupa mai bine de 15 miliarde de ani, sa cunoastem. Problema a fost
tratata de Steven Weinberg in cartea cu acelasi nume. In primul cadru, temperatura Universului este de 100 000 milioane de grade K (10^11). Echilibrul termic este aproape perfect, desi Cosmosul este doar o entitate amorfa de materie si radiatie. Fiecare particula din aceasta aglomerare se ciocneste permanent de altele. Temperatura este suficient de mare pentru a permite coexistenta particulelor si a antiparticulelor (exemplul cel mai popular sunt, desigur, electronul si pozitronul). Echilibru nu inseamna repaos, ci chiar o miscare de expansiune rapida. Universul mai este populat in momentul de fata si cu particule fara masa de repaos, ca neutrino si antineutrino, si fotonul, care in acelasi timp este si propria sa antiparticula. Densitatea masica depasea de 3,8 mii de milioane de ori unitatea (densitatea etalon a apei). Daca Everestul ar fi constituit dintr-o astfel de materie, forta sa gravitationala ar distruge Terra... Universul se dilata rapid, si prin aceasta se raceste proportional. Timpul caracteristic de expansiune (de 100 de ori timpul in care Universul se dilata cu 1%, sau inversul constantei lui Hubble din epoca respectiva) este acum de cca 0,02 secunde. Exista un numar mic de particule masive, in jur de 1 proton
sau 1 neutron pentru fiecare miliard de fotoni/electroni/neutrino. Ciocnirile
sunt inevitabile, intrucit energia lor este comparabila. Astfel, dintr-un
antineutrino si un proton iau nastere un pozitron, si un neutron. Sau,
in mod analog, dintr-un neutrino, si un neutron apar un electron si
un proton. Se estimeaza ca numarul de particule si cel de antiparticule
(neutrino si antineutrino, respectiv electroni si pozitroni) sunt aproape
echivalente (tocmai acelei infime discrepante dintre ele ii datoram
existenta materiei !), motiv pentru care tranzitiile neutron proton
se petrec la fel de probabil si la fel de rapid in ambele sensuri. Protonii
si neutronii nu se pot constitui in nuclee, intrucit energia pretutindenni
prezenta depaseste cu mult pe cea necesara ruperii fisiunii nucleare.
Temperatura a devenit de 30 000 milioane K (3X10^10). De la inceput au trecut 0.11 secunde, iar Universul continua sa fie dominat de acelasi tip de particule. Densitatea de energie scade proportional cu puterea a patra a temperaturii pina la 30 milioane de ori densitatea de energie continuta in masa de repaos a apei. Rata expansiunii scade tot proportional cu temperatura, de aceasta data cu patratul ei, iat timpul caracteristic de expansiune s-a marit la 0,2 secunde. Energia globala este inca prea mare pentru a permite legarea neutronilor si a protonilor in nuclee, insa a scazut la un nivel suficient de mic pentru a favoriza tranzitia neutronilor, mai grei, in protoni mai usori. Balanta ajunge astfel la 38% neutroni, si 62% protoni. La 1,09 secunde de primul cadru, temperatura "scade" la 10 miliarde (10^10)K. Densitatea si temperatura au scazut suficient pentru a permite neutrinilor si antineutrinilor sa se comporte ca niste particule libere, fara a mai fi in echilibru termic cu electronii si pozitronii. Din acest moment, ei inceteaza sa mai interactioneze cu obiectele masive, contribuind doar cu energie la valoarea cimpului gravitational. Este era decuplarii propriu-zise a materiei de energie. Avind in vedere dualismul unda-particula, exista lungimi
de unda asociate neutrinului. Inaintea acestei decuplari, aceste
lungimi de unda, (ca inverse ale frecventei care determina energia),
erau invers proportionale cu temperatura, iar temperatura la rindul
sau se modfica invers proportional cu dimensiunea Universului, lungimile
de unda neutrinice cresteau odata cu cresterea in dimensiuni a Universului.
Dupa decuplare, neutrinii nu mai sunt dependenti direct de dimensiunea
Universului, insa deplasarea generala spre rosu le largeste lungimile
de unda in aceeasi relatie. Cind de la momentul zero s-au scurs 13,82 secunde, temperatura atinge valoarea de 3 miliarde grade, ajungind sub temperatura de prag a electronilor si pozitronilor. Acestia inceteaza sa mai reprezinte componentele majoritare ale universului, iar energia eliberata de anihilare scade ritmul de racire. Pragul termic de constituire a nucleelor stabile a fost atins, insa fenomenul nu are loc, intrucit agitatia termica este suplinita de impulsul primordial: viteza de expansiune este inca prea mare, si nu permite decit interactiuni rapide intre doua particule. De exemplu un proton si un neutron se ciocnesc si formeaza un nucleu de deuteriu, cu contributia unui foton care preia energia si impulsul suplimentar. Nucleul de deuteriu se ciocneste apoi cu un alt proton sau neutron, dind nastere fie izotopului usor al heliului (He3), fie nucleului de tritiu. In fine, daca He usor sau tritiul interactioneaza cu un neutron, respectiv un proton, ia nastere izotopul comun al heliului, He4. Daca heliul obisnuit este suficient de stabil pentru a rezista la temperatura prezenta, tritiul, si mai ales deuteriul sunt mult mai slab legati. (pentru a desface nucleul de deuteriu este necesara a noua parte din energia necesara desprinderii unui singur nucleon din nucleul de heliu). Primul pas in formarea nucleelor mai greke nu este deci satisfacut, nucleele de deuteriu sunt spulberate imediat ce se formeaza, si neutronii se transforma inca in protoni: balanta ajunge la 17% neutroni, 83% protoni. Temperatura scade la 1 miliard de grade K, facind Universul
"doar" de 70 de ori mai fierbinte decit centrul Soarelui. De la primul
cadru au trecut trei minute si doua secunde... Electronii si pozitronii
au disparut aproape ca particule independente, iar constituentii principali
sunt neutrinii, antineutrinii, si fotonii. Energia eliberata in anihilarile
electron-pozitron a ridicat temperatura fotonilor, facind-o cu 35% mai
mare decit cea a neutrinilor. Formarea tritiului si a He3 este acum
"permisa" insa exista inca dificultatea intimpinatat de deuteriu: nu
se mentine suficient pentru a permite formarea unui numar apreciabil
de nuclee grele. Ciocnirile protonilor si neutronilor cu electronii
aproape au incetat, insa ramine importanta dezintegrarea neutronului
la proton: la fiecare 100 secunde, 10% din neutroni se transforma in
protoni, inclinind din nou balanta: 14% neutroni, 86% protoni.
300 milioane grade K. Au trecut deja 34 minute si 40 secunde. Electronii si pozitronii s-au anihilat, raminind un mic surplus de electroni (1 la un miliard), suficient pentru a compensa sarcina protonilor. Energia eliberata de anihilare a crescut temperatura fotonilor cu 40% peste cea a neutrinilor. Densitatea energetica are o valoare care corespunde unei densitati masice de 9,9% din unitate (31% apartine neutrinilor si antineutrinilor, iar 69% fotonilor). Aceasta valoare imprima Universului un timp caracteristic de expansiune de 1 ora si 15 min. Procesele nucleare s-au oprit: particulele nucleare sunt acum fie legate in nuclee de heliu (reprezinta intre 22 si 28% din greutatea totala a particulelor nucleare), fie sub forma de protoni liberi. Exista cite un electron pentru fiecare proton, legat sau liber, dar universul este inca prea feierbinte pentru ca atomii sa devina stabili. Dilatarea si racirea va continua in urmatorii 700 000 de ani. Abia atunci va avea loc fornarea atomilor stabili. Disparitia electronilor liberi (prin cuplarea lor in atomi) va face spatiul transparent la radiatie, iar decuplarea materiei de radiatie va determina inceperea formarii stelelor si galaxiilor. Iar cu 10 miliarde de ani mai tirziu, fiinte inteligente incep sa reconstituie drumul pina la materie si existenta... (Dupa Steven Weinberg "Primele trei minute ale Universului") |