Χρησιμοποιώντας επιταχυντές σωματιδίων, όπως ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων, οι επιστήμονες αναπαράγουν τις συνθήκες του πρώιμου Σύμπαντος, αποκαλύπτοντας ιδέες από τη Μεγάλη Έκρηξη έως τον σχηματισμό ατόμων. Αυτά τα πειράματα ρίχνουν φως στις αρχικές στιγμές του Σύμπαντος και την εξέλιξή του σε ένα σύνθετο σύμπαν γεμάτο αστέρια και γαλαξίες. Αυτός ο συνδυασμός θεωρητικής και πειραματικής φυσικής έχει βελτιώσει δραματικά την κατανόησή μας για τις πρώτες εποχές του Σύμπαντος.
Η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης λέει για μια εποχή πριν από σχεδόν 14 δισεκατομμύρια χρόνια, όταν το Σύμπαν ήταν πολύ πιο ζεστό μέρος. Αλλά πώς μπορούμε να ξέρουμε πώς ήταν πραγματικά το Σύμπαν πριν από τόσο καιρό; Μια μηχανή του χρόνου θα λειτουργούσε, αλλά αυτή η τεχνολογία δεν έχει εφευρεθεί. Έτσι, οι επιστήμονες κάνουν το επόμενο καλύτερο πράγμα: Χρησιμοποιούν επιταχυντές σωματιδίων για να αναπαράξουν τις συνθήκες του πρώιμου Σύμπαντος στο εργαστήριο. Με αυτόν τον τρόπο, τα δεδομένα που παράγονται σε πειράματα σωματιδιακής φυσικής μπορούν να προσφέρουν μια ματιά στις πρώτες στιγμές του σύμπαντος.
Ωστόσο, είναι σημαντικό να κατανοήσουμε τόσο τη δύναμη, όσο και τους περιορισμούς αυτής της προσέγγισης. Η θεωρία του "Big Bang" φαντάζεται μια σειρά εποχών, η καθεμία με μια χαρακτηριστική ενέργεια και θερμοκρασία. Δεν είναι καλά κατανοητές όλες αυτές οι εποχές. Για παράδειγμα, οι πρώτες στιγμές του Σύμπαντος παραμένουν άπιαστες. Είναι καλυμμένες με μυστήριο και η κατανόησή μας είναι απλώς μια σειρά από μορφωμένες εικασίες. Ωστόσο, σε ένα κλάσμα του δευτερολέπτου, οι συνθήκες του πρώιμου Σύμπαντος μετατράπηκαν γρήγορα σε αυτές που μπορούν να ελεγχθούν από τη σύγχρονη τεχνολογία.
Αναπαράγοντας το πρώιμο Σύμπαν
Ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC), ο οποίος είναι ο πιο ισχυρός επιταχυντής σωματιδίων στον κόσμο σε λειτουργία, επιταχύνει ζεύγη πρωτονίων με σχεδόν την ταχύτητα του φωτός και τα χτυπά κατά μέτωπο το ένα με το άλλο. Η ενέργεια κίνησης του πρωτονίου μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια που φτάνει σε θερμοκρασίες 100.000 φορές υψηλότερες από το κέντρο του Ήλιου - θερμοκρασίες που ήταν κοινές για τελευταία φορά στο Σύμπαν λιγότερο από το ένα τρισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου μετά την έναρξη του Σύμπαντος.
Άλλα πειράματα μελέτησαν τη συμπεριφορά της ύλης όταν η διαστολή του Σύμπαντος επιβραδύνθηκε αρκετά, ώστε οι νόμοι της σωματιδιακής φυσικής να μην ισχύουν πλέον και ξεκίνησε η εποχή της πυρηνικής φυσικής. Όταν το Σύμπαν είχε ηλικία μόλις λίγων λεπτών, η σύνθεσή του και οι νόμοι που το διέπουν είχαν ήδη κλειδωθεί στη θέση τους.
Τρία λεπτά μετά την έναρξη του Σύμπαντος, οι πυρήνες του αρχέγονου υδρογόνου και ηλίου που αποτελούσαν τα πρώτα αστέρια υπήρχαν ήδη (αν και θα χρειάζονταν εκατοντάδες χιλιάδες χρόνια πριν το Σύμπαν κρυώσει αρκετά για να δημιουργήσει ατομικό υδρογόνο και ήλιο).
Μετά το σχηματισμό των ατόμων, οι βαρυτικές δυνάμεις κυριάρχησαν για εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια, οδηγώντας στη δημιουργία των πρώτων αστεριών - ένα σημείο στο οποίο η πυρηνική φυσική έπαιξε για άλλη μια φορά κρίσιμο ρόλο.
Λοιπόν, ποιες εποχές του πρώιμου Σύμπαντος μελετούν οι επιταχυντές σωματιδίων;
Ας ξεκινήσουμε την ιστορία σε μια εποχή για την οποία η ιστορία δεν είναι ακόμη πλήρως κατανοητή. Σε πολύ πρώιμο χρόνο, σε εκατομμυριοχιλιοστά του δευτερολέπτου μετά την έναρξη του Σύμπαντος (σύμφωνα πάντα με αυτό που αντιλαμβανόμαστε εμείς οι Γήινοι ως χρόνο...), οι κοσμολόγοι πιστεύουν ότι το Σύμπαν γνώρισε μια περίοδο (μερικών εκατομμυριοχιλιοστών του δευτερολέπτου) διαστολής με ταχύτητες που ξεπερνούσαν την ταχύτητα του φωτός. Υπάρχουν πολλές έμμεσες ενδείξεις ότι αυτό συνέβη, αλλά δεν υπάρχει οριστική επιβεβαίωση. Μέχρι τη στιγμή που γράφονται αυτές οι γραμμές, η αστραπιαία διαστολή παραμένει μια θεωρητική πρόταση.
Στο τέλος της διαστολής, το Σύμπαν ήταν ζεστό και πυκνό και αρκετά διαφορετικό από το σημερινό Σύμπαν. Το Σύμπαν ήταν πολύ ζεστό για να υπάρχουν άτομα. Το ίδιο ίσχυε για τα πρωτόνια, τα νετρόνια και τα κουάρκ, τα οποία είναι τα σωματίδια που βρίσκονται μέσα στα πρωτόνια και τα νετρόνια. Ακόμη και μάζα και ηλεκτρικό φορτίο θεωρείται ότι δεν υπήρχαν. Έτσι, ολόκληρο το Σύμπαν ήταν γεμάτο από πολύ ενεργητικά και χωρίς μάζα σωματίδια.
Από τη θεωρητική φυσική έως τις πειραματικές ιδέες
Οι επιστήμονες δεν είναι απολύτως σίγουροι τι συνέβη στο Σύμπαν στα πρώτα του μυριοχιλιοστά του δευτερολέπτου. Ένας λόγος είναι ότι μας λείπει η τεχνολογία για να συγκεντρώσουμε αρκετή ενέργεια για να μελετήσουμε εκείνους τους πρώιμους χρόνους. Ωστόσο, ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων επιτρέπει να συγκρούονται μεταξύ τους ζεύγη πρωτονίων, που ταξιδεύουν με σχεδόν την ταχύτητα του φωτός. Η μέγιστη ενέργεια που παράγεται σε μία από αυτές τις συγκρούσεις θα δημιουργήσει θερμοκρασίες που είναι τελευταίες κοινές στο Σύμπαν σε εκείνον τον ασύλληπτα μικρό χρόνο μετά την έναρξή του.
Με αυτή την ικανότητα, η κατανόησή μας για την εξέλιξη του Σύμπαντος βελτιώνεται δραματικά. Σε περίπου 10 μυριοχιλιοστά του δευτερολέπτου, δημιουργήθηκε ένα ενεργειακό πεδίο που ονομάζεται πεδίο Higgs. Αυτό το πεδίο αλληλεπιδρούσε με την ύλη στο Σύμπαν και έδωσε στα σωματίδια τη μάζα τους. Ταυτόχρονα δημιουργήθηκε το ηλεκτρικό φορτίο. Αντί για ένα Σύμπαν στο οποίο υπήρχε μόνο ενέργεια χωρίς μάζα, δημιουργήθηκαν σωματίδια με μάζα. Αυτά τα σωματίδια ονομάζονταν κουάρκ και λεπτόνια. Σήμερα, τα κουάρκ βρίσκονται μόνο μέσα στα πρωτόνια και τα νετρόνια και το πιο γνωστό λεπτόνιο ονομάζεται ηλεκτρόνιο.
Το μποζόνιο Higgs, το οποίο είναι μια δόνηση του πεδίου Higgs, ανακαλύφθηκε το 2012. Το πεδίο Higgs, ανακαλύφθηκε το 2012.
Ωστόσο, σε εκείνη την πρώιμη εποχή, τα κουάρκ δεν περιορίζονταν να υπάρχουν σε πρωτόνια και νετρόνια. Τα κουάρκ μπορούσαν να περιφέρονται ελεύθερα. Σε τελική ανάλυση, το Σύμπαν ήταν πολύ ζεστό για να υπάρχουν πρωτόνια και νετρόνια: Εάν τοποθετούσατε ένα πρωτόνιο σε εκείνο το πρώιμο Σύμπαν, θα έλιωνε ουσιαστικά και θα άφηνε τα κουάρκ που το αποτελούν να τρέξουν ελεύθερα - όπως αν βάζατε ένα παγάκι σε ένα καυτό πεζοδρόμιο, όπου η ζέστη λιώνει τον πάγο και το νερό μπορεί να κινηθεί ελεύθερα.
Ο χρόνος προχώρησε και το Σύμπαν επεκτάθηκε και ψύχθηκε περαιτέρω. Περίπου στο ένα εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου, το Σύμπαν ψύχθηκε αρκετά ώστε τα κουάρκ δεν μπορούσαν πλέον να περιπλανηθούν ελεύθερα. Ισχυρές δυνάμεις συγκέντρωσαν τα κουάρκ μαζί, σχηματίζοντας πρωτόνια και νετρόνια. Υπήρχαν ηλεκτρόνια, όπως και ένα άγνωστο σωματίδιο που ονομάζεται νετρίνο. Τα νετρίνα είναι υποατομικά σωματίδια πολύ χαμηλής μάζας που αλληλεπιδρούν πολύ ασθενώς με την ύλη. Στη σύγχρονη εποχή, δημιουργούνται σε πυρηνικές αντιδράσεις και δεν έχουν μεγάλη επίδραση στο Σύμπαν. Ωστόσο, η πυκνότητα του Σύμπαντος στο ένα εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου ήταν τόσο υψηλή, που τα νετρίνα αλληλεπιδρούσαν αρκετά έντονα με τα πρωτόνια, τα νετρόνια και τα ηλεκτρόνια που κυριαρχούσαν στο Σύμπαν.
Όταν το Σύμπαν έγινε ηλικίας περίπου ενός δευτερολέπτου, η πυκνότητά του έπεσε αρκετά, ώστε τα νετρίνα δεν αλληλεπιδρούσαν πλέον με άλλες μορφές ύλης. Πράγματι, το σημερινό μας Σύμπαν είναι γεμάτο από νετρίνα που αλληλεπιδρούσαν για τελευταία φορά με την ύλη ένα ελάχιστο δευτερόλεπτο μετά την έναρξη του Σύμπαντος. Πολύ ευαίσθητα πειράματα βρίσκονται σε εξέλιξη, τα οποία θα είναι σε θέση να ανιχνεύσουν αυτά τα αρχέγονα κοσμικά νετρίνα μέσα στην επόμενη δεκαετία.
Τα επόμενα λεπτά, η διαστολή του Σύμπαντος συνέχισε να ψύχεται σε αρκετά χαμηλές θερμοκρασίες, ώστε τα πρωτόνια και τα νετρόνια να αρχίσουν να συγκεντρώνονται για να σχηματίσουν ατομικούς πυρήνες. Αν η πυκνότητα του Σύμπαντος παρέμενε υψηλή, θα μπορούσαν να είχαν σχηματιστεί οι πυρήνες όλων των γνωστών στοιχείων. Ωστόσο, η ταχεία πτώση της πυκνότητας του Σύμπαντος επέτρεψε να σχηματιστούν μόνο οι απλούστεροι πυρήνες. Περίπου τρία λεπτά μετά την έναρξη του Σύμπαντος, είχαν σχηματιστεί πυρήνες υδρογόνου (μονά πρωτόνια) και πυρήνες ηλίου (δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια), μαζί με σπάνια ισότοπα υδρογόνου (δευτέριο και τρίτιο).
Σε τρία λεπτά, το Σύμπαν αποτελούνταν από περίπου 75% υδρογόνο και 25% ήλιο. (Αυτό είναι κατά αναλογία μάζας. Εάν μετρούσαμε απλώς τους πυρήνες υδρογόνου και ηλίου, η αναλογία ήταν περίπου 92% υδρογόνο και 8% ήλιο. Η διαφορά είναι επειδή οι πυρήνες ηλίου ζυγίζουν τέσσερις φορές περισσότερο από το υδρογόνο.) Υπήρχαν επίσης ίχνη άλλων ουσιών, αλλά ως επί το πλείστον, όλα τα άλλα στοιχεία δεν δημιουργήθηκαν μέχρι να σχηματιστούν στο κέντρο των άστρων.
Αυτή είναι η ιστορία που οι επιταχυντές σωματιδίων μας διδάσκουν για το πρώιμο Σύμπαν.
Σε πολύ μεταγενέστερους χρόνους (περίπου 380.000 χρόνια μετά την έναρξη του Σύμπαντος), το Σύμπαν ψύχθηκε αρκετά, ώστε αυτοί οι πυρήνες υδρογόνου και ηλίου να συλλάβουν ηλεκτρόνια και τα πρώτα άτομα δημιουργήθηκαν. Και η ιστορία σίγουρα δεν ήταν πλήρης, καθώς η βαρύτητα τελικά συγκέντρωσε αυτά τα άτομα σε καυτές συστάδες, που τελικά έγιναν αστέρια και γαλαξίες.
Η κατανόησή μας για τη φύση του Σύμπαντος από την αρχή έως λίγα λεπτά μετά την έναρξή του είναι αρκετά περίπλοκη και καθοδηγείται από σταθερές μετρήσεις. Το πιο σημαντικό, η κατανόησή μας δεν προέρχεται από θεωρητικές εικασίες, αλλά μάλλον από πολύπλοκες και λεπτομερείς μετρήσεις. Χρησιμοποιώντας γιγάντιους «θρυμματιστές ατόμων», οι επιστήμονες μπορούν κυριολεκτικά να αναδημιουργήσουν τις συνθήκες του πρώιμου Σύμπαντος και να δουν πώς λειτουργούν τα πράγματα.
Η προσπάθεια να κατανοήσουμε πώς ξεκίνησε το Σύμπαν μας είναι αρχαία, με τις πρώτες ιστορίες που βρέθηκαν σε μερικά από τα πρώτα γραπτά της ανθρωπότητας. Μέσω ενός συνδυασμού αστρονομικής παρατήρησης και πειραμάτων που εκτελούνται μέσα σε τεράστιους επιταχυντές σωματιδίων, οι επιστήμονες αρχίζουν να έχουν μια πολύ ξεκάθαρη κατανόηση του πώς ξεκίνησαν όλα.