MINULOST A BUDOUCNOST
Šipky času ...
Šipkou času nazýváme směr toku času. Podle dnešních poznatků lze rozlišit
minimálně tři způsoby určení směru toku času: Termodynamická šipka času. Čas míří
ve směru narůstající neuspořádanosti uzavřených systémů. Plyne z druhé
věty termodynamické jako experimentální fakt. Neplyne z elementárních přírodních
zákonů, které jsou, s výjimkou slabé interakce, symetrické v čase.
Psychologická šipka času. Pamatujeme
si minulost, nikoli budoucnost. Čas míří do budoucnosti, směrem k jevům,
jejichž výsledek nepředpovíme pomocí paměti.
Kosmologická šipka času. Čas míří
ve směru expanze vesmíru. Často se diskutuje problém uzavřeného vesmíru, který v závěrečných fázích
zmenšuje své rozměry. Nemíří kosmologická šipka času v této fázi proti
ostatním? Z inflačního modelu plyne nastavení vesmíru na téměř kritický.
To znamená, že fáze kolapsu nastane (pokud vůbec nastane) po dosti dlouhé době, tak dlouhé, že
neuspořádanost vesmíru bude v této fázi téměř maximální. Vesmír bude chaotický,
složen z elektron pozitronových párů a záření. Nebudou zde již existovat
žádné uspořádané struktury a tedy ani život. Existence života je neslučitelná
s fází kolapsu vesmíru. Psychologická šipka nemá žádný význam. Stejně tak
termodynamická šipka, protože v této fázi se neuspořádanost již nezvyšuje.
Vesmír dosáhl "téměř" maximální možné entropie (neuspořádanosti).
Minulost a budoucnost ...
|
PBB |
Pre Big Bang Phase. Kvantově gravitační fáze existence
vesmíru. Vesmír je popsán Wheeler-de Wittovou rovnicí, jejímž řešením je bezčasový kvantový stav
ψ(R, φ, f) bez klasických vlastností.
Stav závisí na expanzní funkci R, inflatonovém
či dilatonovém poli φ (způsobuje inflaci) a dalších polích a parametrech f. Klasické vlastnosti
vesmír teprve získá v průběhu kvantového procesu, který nazýváme dekoherence. Budoucí hmota
vesmíru vznikne na úkor záporné gravitační energie.
Vesmír prochází superkontrakcí či superinflací.
|
|
10−43
s |
T = 1032 K,
E = 1019 GeV,
ρ = 1094 g/cm3 . Planckův čas – hodnota,
kterou získáme kombinací základních konstant c, G, h.
Oddělení gravitační interakce od ostatních. Narušení SUSY symetrie. Převládá
éra záření. Kvarky, leptony, IM částice a těžké částice vznikající při
energetických srážkách. Možná jsou zde přítomni superpartneři: fotina, selektrony,
atd. Částice jsou struny v 10 dimenzionálním prostoru.
R(t) ~ t1/2, probíhá-li inflace R(t) ~ exp[χt].
|
|
10−39
s |
T = 1029 K,
E = 1016 GeV,
ρ = 1084 g/cm3 . Vznik
bosonů X a Y z fluktuací vakua. Jde o částice, které by v dnešní době měly být
zodpovědné za rozpad protonu s poločasem přes 1033 let.
|
|
10−35
s |
T = 1027 K,
E = 1014 GeV. Oddělení silné interakce
od ostatních. Narušení GUT symetrie. Převládá éra záření. S narušením symetrie
může být spojen fázový přechod, následná inflace a ohřev vesmíru uvolněnou
energií. Částice X a Y se rozpadají na kvark-antikvarkové páry nebo na dvojice
antikvark a lepton. Antičástice X a Y se rozpadají na dvojice kvark a antilepton.
Současně při interakcích kvarků, antikvarků, leptonů a antileptonů vznikají
opětovně částice X a Y.
|
|
10−30
s |
T = 1025 K,
E = 1012 GeV. Prahová energie pro
samovolný vznik částic X a Y, tyto částice přestávají samovolně vznikat. Narušení CP invariance.
Bosony X a Y se postupně rozpadají na dvojice antikvark a lepton, antibosony X a
Y na dvojice kvark a antilepton. Procesy přechodu mezi leptony a kvarky
probíhají mírně asymetricky a postupně ustávají. V reakcích
kvark ↔ antilepton a
antikvark ↔ lepton převládne nepatrně směr kvark ←
antilepton a antikvark → lepton. Tím dojde v budoucnu k nadvládě hmoty nad antihmotou.
V tuto chvíli se však na miliardu reakcí v obou směrech vyskytne jen jedna
navíc ve prospěch hmoty. (Poměr 1 000 000 000 : 1 000 000 001.)
|
|
10−10
s |
T = 1015 K,
E = 102 GeV. Narušení elektroslabé
symetrie. Oddělení slabé interakce. Za narušení symetrie jsou odpovědné
dosud nenalezené částice – Higgsovy bosony. Od tohoto okamžiku mají všechny
4 interakce vlastnosti jaké známe z našich experimentů. S narušením symetrie
mohl být opět spojen fázový přechod do nižšího vakuového energetického
stavu a následná inflační fáze spojená s ohřevem vesmíru. V těchto inflačních
fázích došlo k nastavení vesmíru téměř na kritickou hustotu. Vesmír stále
složen z kvarků, leptonů, IM částic a částic vznikajících při srážkách,
které odpovídají energii 102 GeV.
|
|
10−5
s |
T = 1013 K,
E = 1 GeV. Průměrná vzdálenost mezi kvarky je
již větší než 10−15 m. Končí éra volných kvarků
(kvark-gluonového plazmatu).
Asymptotická svoboda omezuje volný pohyb kvarků právě do vzdálenosti 10−15 m.
Od této chvíle se kvarky sdružují po dvojicích (kvark-antikvark)
do mezonů nebo po trojicích do baryonů. Počet vzniklých částic a antičástic
je v poměru 1 000 000 001 : 1 000 000 000
daném narušením CP invariance v minulosti.
Střední tepelná energie vesmíru je rovna prahové teplotě nukleonů
(kT ~ mc2) a rovnováha mezi baryony a antibaryony je narušena.
Při procesu anihilace zůstane jediný baryon z miliardy baryonů a antibaryonů.
Zpočátku je poměr vzniklých protonů a neutronů stejný, později se díky
nepatrně různé hmotnosti bude měnit. V tuto dobu je počet elektronů, fotonů
a neutrin vyrovnaný.
|
|
1
s |
T = 3×1010 K,
E = 1 MeV. Oddělení neutrin od ostatní látky.
Střední volná dráha neutrin narostla tak, že přestávají interagovat s látkou.
Do této doby byly díky srážkám v termodynamické rovnováze s ostatním zářením
a hmotou. Od této chvíle neutrina žijí vlastním životem a postupně chladnou.
Dnes by reliktní neutrina měla mít teplotu kolem 2 K, hustotu 300
neutrin na cm3 a nést
v sobě obraz vesmíru z doby jejich oddělení. Oddělení neutrin znamená
prudké zeslabení slabé interakce. Do této chvíle probíhala intenzívní slabá
interakce mezi neutriny, elektrony, neutrony a protony. Neutrony a protony se
vzájemně přeměňovaly a bylo jich stejné množství. Nyní převládá rozpad neutronů nad
jejich tvorbou a jejich počet začíná oproti protonům klesat. Vesmír je stále v éře záření,
kromě neutrin jsou všechny ostatní částice v termodynamické rovnováze.
|
|
10 s |
T = 5×109 K,
E = 500 000 eV. Prahová teplota elektronů
a pozitronů (střední tepelná energie vesmíru kT je rovna klidové energii
elektronů a pozitronů mec2). Nad touto teplotou
jsou elektrony a pozitrony v rovnováze se zářením a probíhá stejný počet
anihilačních procesů i kreačních procesů: elektron
+ pozitron ↔ záření. V tomto okamžiku poprvé převládá
anihilace, mizí elektron pozitronové plazma. Z anihilujících párů vzniká
záření, které zahřeje celý vesmír (kromě již oddělených neutrin). Teplota
vesmíru bude nakonec o 40 % vyšší než teplota reliktních neutrin.
Díky narušení CP invariance zůstane z miliardy elektronů a pozitronů po anihilaci jeden
volný elektron. Ten mnohem později poslouží ke stavbě atomárních obalů
... Nadále klesá počet neutronů vzhledem k protonům, způsobený jejich rozpadem
(poločas 10 minut).
|
|
4
min |
T = 9×108 K,
E = 90 000 eV. Prahová teplota vazebné energie
deuteria (střední tepelná energie vesmíru kT je rovna vazebné energii
deuteria). Nad touto teplotou záření zabránilo spojování neutronů a protonů
k sobě. Od tohoto okamžiku může část neutronů a protonů vytvářet dvojice
– atomová jádra (samozřejmě bez obalů). Je odstartován proces tvorby lehkých
prvků. Stav nukleonů: 13 % neutronů a 87 % protonů.
Nadále se poměr již nebude měnit, neutrony přestávají existovat jako volné neutrony a
proto se nadále nerozpadají. Tomu
bude odpovídat vznik 26 % hélia a 74 % vodíku. Vodík se v dnešním
vesmíru skládá z 94 % izotopu H a 6 % izotopu D. V malém množství mohly prvky
vznikat již před touto teplotou. Těžší prvky nebudou mít šanci vzniknout,
vesmír se zakrátko zvětší natolik, že srážky mezi částicemi již nebudou
dostatečně efektivní.
|
|
10 000 let |
T = 10 000 K,
E = 1 eV. Snad vznik primordiálních fluktuací
hustoty vlivem gravitace, budoucích zárodků galaxií.
|
|
380 000 let |
T = 4 000 K,
E = 0,4 eV. V této době došlo ke dvěma klíčovým událostem:
1. Prahová teplota vazebné energie
elektronů v atomárních obalech (střední tepelná energie vesmíru kT
je rovna vazebné energii v atomárních obalech). Elektrony začínají vytvářet
atomární obaly, přestávají existovat volné elektrony, na kterých docházelo
k rozptylu fotonů. V důsledku toho záření přestává interagovat s hmotou
a odděluje se od látky. Toto elektromagnetické záření nazýváme reliktní
záření a dnes má teplotu 2,73 K. Teplota tohoto záření je
cca o 40 % vyšší než teplota reliktních neutrin (bylo zahřáno při procesech
anihilace). Vesmír se tím, že látka přestala interagovat sse zářením na dlouhou
dobu ponořil do temnoty. Nastává tzv. temný věk vesmíru (v angličtině "dark
age").
2. Hustota energie záření je právě
rovna hustotě energie hmoty (ρzáření ~ 1/R4,
ρhmoty ~ 1/R3). Do této chvíle převládala energie záření,
od této chvíle převládá energie látky. Říkáme, že ve vesmíru začíná éra
látky. Mění se charakter rozpínání vesmíru, od této chvíle je
R(t) ~ t2/3. (Dosud, s výjimkou inflační fáze, v éře
záření platilo R(t) ~ t1/2.)
|
|
200×106
let
|
T = 200 K,
E = 20 meV.
Období překotné tvorby velmi hmotných hvězd. Ve velkém množství vznikají obří hvězdy
nulté
generace s velmi rychlým vývojem. Již nikdy v budoucnu nebude produkce hvězd natolik intenzivní
a jejich životní cyklus tak krátký. Látka je znovuionizována pronikavým
zářením vzniklých hvězd, končí temný věk vesmíru.
|
|
1010
let |
T = 3 K,
E = 1 meV. Dnes. Existují galaxie a hvězdy,
které umírají na bílé trpaslíky, neutronové hvězdy a černé díry.
Také v mnoha galaktických jádrech se nacházejí černé díry. Kolem některých hvězd
obíhají planety a alespoň na jedné z nich se nachází inteligentní tvorové,
kteří se snaží zjistit, jak vzniknul vesmír ...
|
Z našeho hlediska je nejvýznamnější období kolem jedné vteřiny, kdy
se začaly tvořit první lehké prvky. Teplota odpovídala 1010 K
(přibližně teplota v centru vybuchlé vodíkové bomby). K překotnému
slučování nukleonů do jader však dochází až v období minut (teplota 109 K – jako
v centru nejžhavějších hvězd) a je ukončeno v čase několika
hodin. Poté už se v našem vesmíru z hlediska chemického složení již příliš
mnoho neděje ...
Scénářů budoucnosti našeho vesmíru bylo napsáno mnoho. Zde použitá vize tepelné smrti vesmíru pochází od I. Novikova a mohla by být pravdivá,
jestliže skutečně dochází k rozpadu protonu.
|