Istorie a producerii elementelor chimice in Univers

[Adi]

Buna Adi,

Revin cu unele intrebari: conform teoriei big-bangului (sau a ceea ce am inteles eu din ea), atomii s-au format dupa un anumit timp de la explozie. Sub ce forma se gasea materia in starea initiala supradensa?  Existau acolo cuarcii, neutrinii etc. sau si ei sau format ulterior? Avand in vedere ca acea stare avea o masa imensa, cu siguranta bozonul Higgs (daca exista) era prezent. E posibil ca , initial, sa fi existat doar bozonul H (mai precis campul Higgs)? Multumesc.

Foarte buna intrebare, iti multumesc. La inceput s-au produs particulele elementare. Existau trei familii de particule, fiecare familie avand membri mai "masivi" decat precedenta. Exista energie sa se produca particule oricat de grele ar fi fost, deci s-au produs toate. Si bozonul Higgs, care dadea masa materiei, si bozonii care erau purtatorii fortelor (fotonii, gluonii, bozonii W si Z), dar si particulele de materiei (din cele trei familii de mai sus, care aveau fiecare cate doi cuarci si doi leptoni: Prima familie - cuarcul up, cuarcul down, electronul si neutrinul electronic; A doua familie - cuarcul strange, cuarcul charm, muonul si neutrinul muonic; A treia familie - cuarcul bottom, cuarcul top, leptonul tau si neutrinul tau). Cum toate aceste particule erau acolo, la energii mari, la viteze mari, se ciocneau mereu unele cu altele, se transformau mereu unele in altele, nimic nu era stabil. Starea de agregare a materiei se numea "plasma cuarc-gluon", caci cuarcii erau liberi, nu formau inca particule compuse.

Pe masura ce Universul se extindea (caci era in expansiune), energia pe unitatea de volum scadea, deci si temperatura Universului scadea si atunci particulele masive din familia a treia s-au dezintegrat in particule din familia a doua si din prima familie. Pe masura ce Universul se extindea si mai mult, si particulele din familia a doua s-au dezintegrat in particulele din familia intai. Iata de ce Universul nostru natural e format din particule din familia intai (cuarcul up, cuarcul down, electronul si neutrinul electronic). Acestea, fiind cele mai putin masive particule de tipul lor, nu mai au in ce sa se dezintegreze mai departe, ceea ce le face stabile (Nota: cuarcul down se dezintegreaza totusi in cuarcul up, electron si neutrino electronic, ceea ce duce la dezintegrarea radioactiva a unor elemente chimice, precum Uraniul). 

Pe masura ce Universul se extindea si mai mult si deci se racea si mai mult, cuarcii up si down au inceput sa se aglomereze si sa formeze particule (protonii formati din cate doi cuarci up si un cuarc down si neutronii formati din cate un cuarc up si doi cuarci down). In Univers existau atunci si electroni si neutrini si fotoni. Caci fiecare particula incarcata electric ce era accelerata (si toate erau caci se ciocneau si se zvarleau de colo colo, emite lumina).

Mai departe, cand Universul s-a racit si mai mult, protonii si neutronii s-au pus impreuna pentru a forma nuclee stabile, prin procesul de fuziune. Apoi aceste nuclee au captat repede electroni si s-au format primii atomi stabili. De fapt, dintre atomi, s-au creat doar atomii de hidrogen si un pic de atomi de heliu si un foarte pic pic atomi de litiu sau alti atomi usor. Acest moment a avut loc la cam 360.000 de mii de ani dupa Big Bang si acesta este momentul (sau intervalul de timp) cand s-a facut, la propriu, lumina in Univers! Pana atunci, lumina nu putea strabate decat o distanta mica inainte sa fie absorbita de alti electroni sau protoni cu care se cicnea, fiind apoi emisa iar. Dar acum, atomii formandu-se, a ramas loc liber in spatiu pe unde lumina putea circula distante mari fara sa se ciocneasca cu atomi. Pe masura ce Universul se extindea si mai mult, era si mai mult spatiu liber. Si cum atunci cand era mare amestec de particule subatomice, erau foarte multi fotoni de lumina ce mergeau in toate directiile, avand toti cam aceeasi energie medie, cand s-a facut lumina, acesti fotoni au continuat sa mearga in toate directiile in Univers. Este o predictie a teoriei Big Bang-ului.

Ei bine, tocmai aceasta s-a descoperit experimental, accidental, de doi ingineri in telefonie de la Bell. Exista lumina care vina pe Pamant, din toate directiile, avand o energie foarte foarte mica. De ce mica? Pentru ca intre timp Universul s-a extins si mai mult si s-a racit tot mereu, ducand deci si la racirea acestor fotoni. Aceasta radiatie se numeste radiatie cosmica de fond si este dovada cea mai puternica (dar nu singura) a corectitudinii teoriei Big Bang-ului. Pentru descoperirea ei s-a luat un premiul Nobel.

Cosmologia moderna a inceput in 1989, atunci cand primul satelit lansat special pentru cosmologie (COBE) a aratat ca aceasta radiatie are spectrul de radiatie de corp negru, asa cum prezice teoria Big Bangului, si in plus a aratat si ca exista mici fluctuatii in ea, fiind mai intensa in zonele unde sunt galaxii si mai putin intensa in zonele unde e spatiu vid cosmic. Pentru aceasta s-a luat premiul Nobel in 2006, foarte recent, dupa ce un alt satelit, si mai precis, WMAP a confirmat masuratorile lui COBE si a masurat si mai bine compozitia timpurie a Universului. 

In toamna asta asteptam cu mare interes lansarea unui al treilea satelit, inca si mai bun, si de data asta european, PLANCK, care va masura si mai bine compozitia Universului timpuriu.

Dupa ce la 360.000 de ani dupa Big Bang se formasera atomii de hidrogen, ei au inceput sa se atraga reciproc prin forta gravitationala (atomii fiind neutrii, forta elecrtrica nu isi facea simtita prezenta) si s-au format nori mari, care apoi au format stele. Prima stea s-a format cam la un milion de ani dupa Big Bang. In stele a avut loc fuziune, din atomi usori creeanduse atomi mai grei. Cand stelele isi epuizau combustibilul, ele explodau si trimiteau elementele grele in spatiu. Elementele pana la fer au fost formate asa. Elementele de la fer la uraniu au fost trimise in spatiu de explozii si mai intense ale unor stele, denumite explozii super nove. Elemente chimice dincolo de uraniu sunt instabile si nu exista decat produse in laborator. Alte stele se formau, iar elemente grele de la primele stele formau planete in stelele de mai tarziu. Stelele au continuat sa se nasca si sa moara, mereu.

Cam asta e istoria, pe scurt, a producerii elementelor chimice in Univers.

Iata o reprezentare schematica a ce am povestit mai sus.



Poti vedea poza asta mare aici.

[sceptic]

Am citit undeva despre moartea calorica a Universului. Din cate am inteles, Universul se extinde, racindu-se totodata, iar moartea survine atunci cand temparatura devine constanta in intreg spatiul (putin peste 0 Kelvin). In acest caz, daca temperatura (respectiv energia) fiind constanta, nu mai exista diferente de energie intre oricare 2 puncte, iar miscarea nu mai e posibila. Am inteles bine? Daca da, ce se va intampla dupa?

[Adi]

Am citit undeva despre moartea calorica a Universului. Din cate am inteles, Universul se extinde, racindu-se totodata, iar moartea survine atunci cand temparatura devine constanta in intreg spatiul (putin peste 0 Kelvin). In acest caz, daca temperatura (respectiv energia) fiind constanta, nu mai exista diferente de energie intre oricare 2 puncte, iar miscarea nu mai e posibila. Am inteles bine? Daca da, ce se va intampla dupa?

Ai inteles bine. Dupa nu se va intampla nimic. Un sistem ajuns la echilibru ramane la echilibru o infinitate de timp. In cazul asta ar fi vorba de echilibru termic.

Cand se stia ca Universul sunt in expansiune (din 1930), dar nu se stia ca in expansiune accelerata (ceea ce se stie de prin 1990), se credea ca Universul este in expansiune franata, ca la un moment expansiunea se va opri si va incepe o implozie, unde galaxiile se vor apropia unele de altele, ducand in final la o mare implozie, sau un "Big Crunch". In acel scenariu am fi murit "de cald". Dar cum acum Universul este in expansiune, credem ca vom muri "de frig". Totusi, sa nu ne facem griji, sistemul solar, galaxia, nu vor trai pana atunci. Fenomenele sunt pe o scara a timpului foarte mare. Si apoi, cine stie, cu timpul poate vom crede ca acum ne inselam si adevarul despre cosmologie este altul. Abia de 25 de ani, sa nu uitam, cosmologia este stiinta experimentala solida. In 25 de ani poate vom vedea altfel lucrurile.

Sceptic, nu mi-ai spus daca ai inteles si ti-au placut explicatiile de mai sus, am incercat sa explic cat mai detaliat. 

[sceptic]

Am inteles teoria big -bangului, dar nu am inteles cand anume a avut loc. Si nu ma refer la perioada (adica la timp. Stiu ca s-a intamplat acum cca 14 mld. ani, dar eu incercam sa aflu daca a avut loc inainte de aparitia tuturor particulelor cunoscute. Adica, sa incerc sa fiu mai clar: daca in momentul "0" al exploziei exista vreo particula. Stiu ca teoria spune ca TOTUL (materie, spatiu, timp) a fost creat de big-bang. Dar in acelasi timp avem de-a face cu acea "stare initiala supradensa concentrata intr-un volum mic". Daca acea stare era supradensa inseamna ca era materie. Daca era materie, acolo era bozonul Higgs. Asta inseamna ca bozonul a fost prima particula creata?

[Adi]

Am inteles teoria big -bangului, dar nu am inteles cand anume a avut loc. Si nu ma refer la perioada (adica la timp. Stiu ca s-a intamplat acum cca 14 mld. ani,

Mai precis, acum 13.7 plus sau minus 0.2 miliarde de ani! Asa de precis stim, de cand cosmologia a devenit stiinta experimentala, datorita satelitilor COBE si WMAP.

dar eu incercam sa aflu daca a avut loc inainte de aparitia tuturor particulelor cunoscute. Adica, sa incerc sa fiu mai clar: daca in momentul "0" al exploziei exista vreo particula.

Nu, inainte de momentul zero, nu exista nici o particula, nu exista nici macar spatiul si timpul.

Stiu ca teoria spune ca TOTUL (materie, spatiu, timp) a fost creat de big-bang.

Exact ...

Dar in acelasi timp avem de-a face cu acea "stare initiala supradensa concentrata intr-un volum mic". Daca acea stare era supradensa inseamna ca era materie.

Nu, exista insa energie si informatie (adica legile fizicii, adica potentialul ca energia sa fie transformata in materie, conform E=mc^2

Daca era materie, acolo era bozonul Higgs. Asta inseamna ca bozonul a fost prima particula creata?

Da, de cum a aparut materie si spatiul timpul, a aparut si bozonul Higgs. Dar asta dupa Big Bang. Sau cel putin eu asa inteleg.

[sceptic]

Deci materia primordiala a luat nastere prin "aglomerarea" bozonillor Higgs in jurul unui "zvon", nu a unei "persoane celebre", ca sa folosesc explicatia din articolul "Bozonul Higgs pe intelesul tuturor". Adica bozonii s-au aglomerat "intre ei" ca urmare a interventiei uneia sau mai multor forte (electromagnetica, gravitationala) si nu a unei alte particule de materie...

[Adi]

Deci materia primordiala a luat nastere prin "aglomerarea" bozonillor Higgs in jurul unui "zvon", nu a unei "persoane celebre", ca sa folosesc explicatia din articolul "Bozonul Higgs pe intelesul tuturor". Adica bozonii s-au aglomerat "intre ei" ca urmare a interventiei uneia sau mai multor forte (electromagnetica, gravitationala) si nu a unei alte particule de materie...

Cam asa. Trebuie totusi mentinut in atentie ca orice analogie are limitarile ei. In plus, suntem abia la varful icebergului pentru intelegerea originii masei si comportamentului bozonului Higgs. Dupa ce il descoperim, ii vom studia proprietatile, precum numere cuantice, probabilitatea de a interactiona cu diverse particule. Dar mai ales, vom vedea daca exista un singur bozon Higgs, cum spune teoria actuala, Modelul Standard, sau daca exista mai multi, asa cum prezic alte teorii ce completeaza si dezvolta Modelul Standard, dar ce nu au fost inca confirmate de experienta. De exemplu, teoria supersimetriei prezice existenta a cinci bozon Higgs, dintre care unul are proprietati foarte asemantaore de cel prezis de Modelul Standard.

[sceptic]

Salut Adi!
Iti multumesc pentru explicatii, m-au ajutat mult sa inteleg lucruri "inexplicabile" pana acum. Dar as mai avea unele intrebari care tin mai mult de teorie si intuitie decat de partea experimentala a stiintei. As vrea sa stiu cum se coreleaza, in opinia specialistilor, Teoria corzilor cu Big-Bangul. Spun asta pentru ca:
    1. Teoria corzilor teoretizeaza existenta unor "particule de baza" care nu mai sunt de forma unor puncte fara dimensiuni, ci a unor segmente de dreapta de dimensiune 1. Aceste particule nu sunt (deocamdata) identificate in teoria Big-Bangului (binenteles, teoretic, ele s-ar fi putut forma in momentul exploziei, odata cu celelalte particule).
    2. Asa cum ai spus in explicatiile legate de moartea Universului, un sistem aflat in echilibru, ramane in echilibru o infinitate de timp. Daca "sistemul" in momentul "0" al Big-Bangului ar fi fost in echilibru, atunci nu ar mai fi avut loc explozia. Daca era in dezechilibru, atunci ce anume l-a provocat? Ar fi putut sa fie vibratiile "corzilor", dar atunci ele ar fi precedat Big-Bangul.
      Acum as incheia cu o intrebare mai putin "teoretica". 
      Prin observatiile satelitilor COBE si WMAP s-a stabilit varsta Universului: 13,7 plus-minus 0,2 mld. ani. Din cate stiu Universul observabil se intinde pe distante mai mari de 30 mld. ani-lumina, asta ar insemna ca particulele s-au deplasat cu viteze mai mari decat cea a luminii? Daca explozia s-a produs in centrul unei sfere cu raza de 13,7 mld. ani-lumina, atunci cea mai mare distanta intre 2 "puncte" ar fi egala cu diametrul sferei.

[Adi]

Salut Adi!
Iti multumesc pentru explicatii, m-au ajutat mult sa inteleg lucruri "inexplicabile" pana acum.

Multumesc pentru apreciere, Sceptic. Ma bucur ca am putut fi de ajutor la clarificarea unor lucruri. Ajut si eu cat pot.

Dar as mai avea unele intrebari care tin mai mult de teorie si intuitie decat de partea experimentala a stiintei. As vrea sa stiu cum se coreleaza, in opinia specialistilor, Teoria corzilor cu Big-Bangul. Spun asta pentru ca:

Teoria corzilor spune ca particulele elementare nu sunt puncte, ci niste corzi care virbreaza. Adica in loc sa aiba dimensiune zero, au dimensiune unu. Dar ca aceste corzi ar fi asa de mici, incat atunci cand privim la cel mai puternic microscop o particula elementara (adica cu un accelerator de particule), atunci ea pare sa fie ca un punct. In prezent, toate particulele subatomice din Univers sunt combinatii de 12 particule elementare de materie (6 fermioni + 6 cuarci) si 12 particule care transmit fortele (fotonul, 8 tipuri de gluoni si bozonii W+, W- si Z0). Deci am descrie universul prin 24 de particule elementare. Cam multe, nu? Ideal ar fi sa explicam universul prin un singur tip de ceva, care ia diferite aspecte. Ei bine, acest ceva ar fi tipul de coarda. Daca vibreaza cu o anumita frecventa, are o anumita energie, deci o anumita masa, deci este de fapt o anumita particula elementara.

Asadar, teoria corzilor, daca ar fi adevarata, se coreleaza perfect cu Big Bang-ul, nu ar fi nici o corelatie intre ele. Dupa Big Bang, s-ar produce multe corzi, care ne apar noua azi ca si particule elementare. Este ca si cum ai spune ca noi vedem atomi, dar in realitate sunt particule elementare impreuna. Tot asa, particulele ce acum le consideram elementare ar fi formate din ceva si mai mic, ar fi fiecare cate o coarda. Astfel, tot ce ar fi in Univers nu ar fi format din particule elementare, ci din corzi.

    1. Teoria corzilor teoretizeaza existenta unor "particule de baza" care nu mai sunt de forma unor puncte fara dimensiuni, ci a unor segmente de dreapta de dimensiune 1. Aceste particule nu sunt (deocamdata) identificate in teoria Big-Bangului (binenteles, teoretic, ele s-ar fi putut forma in momentul exploziei, odata cu celelalte particule).

Prezice ca particulele ar fi de fapt corzi, iar nu puncte. Nu au fost detectate experimental, de acord. Ele sunt asa de mici, incat ar trebui energii mult mai mari decat avem in prezent. Daca corzile exista, ele au fost formate dupa Big Bang, iar vibrand in anume fel, se comporta ca diferite particule. Deci nu exista particule si corzi. Corzile nu sunt niste particule noi. Ci particulele ar fi de fapt nu particule, ci corzi!

    2. Asa cum ai spus in explicatiile legate de moartea Universului, un sistem aflat in echilibru, ramane in echilibru o infinitate de timp. Daca "sistemul" in momentul "0" al Big-Bangului ar fi fost in echilibru, atunci nu ar mai fi avut loc explozia. Daca era in dezechilibru, atunci ce anume l-a provocat?

Foarte buna intrebare. Ai ajuns la subtilitatile cosmologiei. Nu e intrebare usoara si in prezent nu i-a raspuns nimeni. Legile noastre ale fizicii nu mai sunt valabile pentru "singularitati" precum Big Bang-ul si gaurile negre. Stim doar ce se intampla imediat dupa Big Bang, de la secunda 10^-43 incolo si ce se intampla in afara orizonului unei gauri negre (in afara cercului de raza Schwarzshild).

Ar fi putut sa fie vibratiile "corzilor", dar atunci ele ar fi precedat Big-Bangul.

Nimic nu a precedat Big Bang-ul in contextul teoriei Big Bang-ului. Totusi, trebuie stiut ca sunt cercetatori care studiaza daca nu cumva Universul a existat dintotdeauna cu volum mic si daca apoi la Big Bang a inceput sa creasca brusc. Altii studiaza posiblitatea ca in Universul nostru sa aiba loc mereu mini Big Bang-uri, de unde sa porneasca Universuri noi, cu alte legi ale fizicii acolo (e ca si cum de pe un balon ar creste alte baloane mai mici, dar ele nu ar avea decat o zona mica de contact intre ele).

Acum as incheia cu o intrebare mai putin "teoretica". Prin observatiile satelitilor COBE si WMAP s-a stabilit varsta Universului: 13,7 plus-minus 0,2 mld. ani. Din cate stiu Universul observabil se intinde pe distante mai mari de 30 mld. ani-lumina, asta ar insemna ca particulele s-au deplasat cu viteze mai mari decat cea a luminii? Daca explozia s-a produs in centrul unei sfere cu raza de 13,7 mld. ani-lumina, atunci cea mai mare distanta intre 2 "puncte" ar fi egala cu diametrul sferei.

Este o intrebare foarte buna, pe care nici eu nu mi-am clarificat-o inca. Nu sunt sigur ca Universul observabil este de 30 de miliarde de ani lumina, poti sa ne arati sursa ta de informatie? Nu zic ca nu e asa, doar ca as dori si eu sa verific. Si eu mi-am pus intrebarea asta de cateva ori, dar inca nu ii stiu raspunsul. Sper sa raspunda la ea altcineva aici pe forum. O sa incerc sa ii raspund si eu.

[sceptic]

Sunt de acord cu explicatiile primite. Si eu gandeam acelasi lucru dar nu prea reuseam sa-mi pun o anumita coerenta in idei.
In legatura cu dimensiunile universului observabil, am citit undeva (scuze, a trecut ceva timp si nu-mi mai aduc aminte sursa, mai ales ca pe vremea aceea priveam cosmologia mai mult ca pe o distractie) ca s-ar fi observat o galaxie la 240 mld. ani-lumina distanta (!!!!). Repet, nu tin minte unde am citit, dar e posibil sa fi fost o stire gen Realitatea TV. Te-am intrebat pentru ca as fi dorit sa verific informatia si din alta sursa. Oricum, multumesc inca odata pentru ajutor.

[Adi]

Imi pare prea mare distanta de 240 miliarde de ani lumina. Dar poate se refereau la milioane ...

[sceptic]

E posibil. A trecut ceva timp de atunci. Mai demult am mai discutat aceasta problema cu un prieten (student la fizica pe vremea aia). A fost si el foarte uimit, dar mi-a spus ca DACA ar fi adevarat, atunci asta s-ar datora extinderii (sau mai precis "intinderii") universului sub actiunea energiei negre (la vremea respectiva nu stiam ce-i aia ). In acea ipoteza Universul- de fapt Spatiul- ar fi un "balon" pe a carui "membrana" s-au format galaxiile in urma big-bangului. Cand Spatiul se intinde (sau se umfla) unele galaxii se indeparteaza ff rapid iar altele se apropie. Cel putin asta am inteles eu la vremea respectiva.

[Adi]

Poate datorita extinderii Universului, la un moment dat ar deveni asa de mare, dar deocamdata e mai mic, are doar 13.7 miliarde de ani varsta. Recomand sa citesti niste carti de popularizare, precum O scurta istorie a timpului, de Hawking, a aparut si in Romania, sau Universul Elegant, de Brian Green.

[sceptic]

Multumesc. O sa caut.

[ne_pofazz]

Iarasi nu stiu cat din ce spun este corect.
Din cate stiu o presupunere este ca (asa cum in sisteme termodinamice aflate in echilibru termic exista fluctuatii termice) nimicul dinaintea Big Bangului se afla in echilibru termic, iar Big Bangul ar fi a fluctuatie puternice, drept urmare careia s-au pornit a sumedenie de reactii. (big bangul, inflatia....)

Si despre teoria corzilor stiu ca la un moment dat erau o sumedenie de teorii ale corzilor diferite.
...si nu se stiau prea multe raspunsuri, apoi a venit Ed Witten, care a adaugat o noua dimensiune la cele 10 (3spatile perceptibile + timpul + cele 6contorsionate prezise de TC), dimensiune in care corzile se extind in membrane.
Intr-un filmulet documentar am vazut, tot in care s-a facut analogia intre multivers si o paine feliata....deci ar putea exista a sumedenie de universe, independente una de cealalta, toate legate de membrane, toate cu (posibil)  alte legi ale fizicii.

Interesant mi s-au parut doua lucruri, faptul ca un big bang a fost descris ca o "coliziune" a doua membrane
respectiv faptul ca Teoria-M a Corzilor prezice ca nimic nu poate scapa de pe propria membrana, decat gravitonii, particulele ce intermediaza gravitatia.
Cate stiti despre aceste lucruri?Ceva linkuri interesanta poate....