Fra ingenting til de første atomer

Tiden, som vi forstår den i dag, eksisterede ikke før Big Bang.

Naturvidenskabens bedste forklaring på universets opståen og udvikling er, at det blev dannet ved en slags eksplosion – Big Bang – for 13,7 milliarder år siden.

(Læs også: ‘Planck afslører: Universet er 13,8 milliarder år gammelt‘)

Mange forestiller sig, at Big Bang fandt sted i ét punkt, men det vil være mere korrekt at sige, at det var i hele rummet, at der skete en eksplosion. Ved Big Bang opstod strålingen, og der blev dannet mange forskellige partikler, samtidig med at universet udvidede sig ekstremt hurtigt.

Temperaturen faldt drastisk efter Big Bang

Lige efter Big Bang var der i rummet hovedsageligt et kvark-gluon-plasma, lidt andre eksotiske partikler samt elektromagnetisk stråling, samtidig med at temperaturen var utrolig høj.

I løbet af inflationsperioden begyndte udvidelsen af universet at aftage i hastighed, samtidig med at temperaturen faldt.

Lige efter inflationstiden – cirka et mikrosekund efter Big Bang – var temperaturen faldet så meget, at kvarker og gluoner kunne slå sig sammen og danne mesoner samt baryoner som protoner og neutroner.

Et par minutter efter Big Bang var temperaturen faldet så meget, at protoner og neutroner kunne bindes til hinanden, hvorved de første heliumkerner samt et par andre lette atom-kerner blev dannet.

Mange protoner var stadig isolerede og fandtes altså som hydrogenkerner.

Vi er resultat af for mange partikler

Atomer var ikke dannet endnu, da temperaturen stadig var for høj til, at elektronerne kunne fastholdes omkring en atomkerne.

I begyndelsen var der stort set lige mange partikler og antipartikler, men af grunde, vi endnu ikke kender, blev der dannet lidt flere partikler end antipartikler.

Dette overskud af partikler er grunden til, at vi er her i dag, for når partikler og antipartikler mødes, forsvinder begge slags partikler og bliver til elektromagnetisk stråling eller eksotiske partikler.

Til enhver partikel hører en modsat partikel, kaldet en antipartikel. Antipartiklen har præcis de samme egenskaber som partiklen, men har de modsatte ladninger.

• Protonen er positiv elektrisk ladet. Antiprotonen er negativ elektrisk ladet.
• Elektronen er negativ elektrisk. Positronen (antielektronen) er positivt elektrisk ladet.
• Positronen blev forudsagt i 1928 og opdaget i den kosmiske stråling i 1932.

Svært at efterligne Big Bang

Naturvidenskabsfolk har ganske godt tjek på tiden efter 10^-12 sekund, mens tiden fra Big Bang til 10^-12 sekunder er noget mere usikker.

Det skyldes, at det endnu ikke har været muligt at udføre eksperimenter med de store acceleratorer, som kan eftergøre de ekstremt høje temperaturer, der herskede i det første korte øjeblik efter Big Bang.

De teorier og modeller, naturvidenskabsfolk bruger til at beskrive, hvad der skete kort efter Big Bang, bygger blandt andet på, at det har været muligt – ved acceleratorerne rundt om i verden – at efterligne den høje temperatur, der var 10^-12 sekund efter Big Bang.

Desuden kan man finde stjerner, på hvis overflade sammensætningen af kerner svarer til den, som var til stede i universet, og som blev efterladt, da kernereaktionerne som set gik i stå et kvarters tid efter Big Bang.

Stråling forhindrede sammenklumpning

Kigger vi ud i universet i dag, er det – som dengang – helt domineret af hydrogen og helium.

I tiden til omkring 70.000 år efter Big Bang var universet strålingsdomineret og indeholdt de partikler, som var blevet tilovers efter annihilationen mellem partikler og antipartikler.

Det var hovedsageligt fotoner, protoner, neutroner og elektroner.

På grund af tyngdekraften ville partiklerne have tendens til at klumpe sig sammen, men trykket fra strålingen i universet forhindrede denne sammenklumpning.

Plasma var helt uigennemsigtig

Omkring 70.000 år efter Big Bang var stråletrykket aftaget så meget, at det mørke stofs masse fik overtaget, og stoffet begyndte nu at klumpe sig sammen.

Der var stadig ikke dannet atomer, fordi temperaturen var for høj til, at elektronerne kunne fastholdes af atomkernerne.

Lyset vekselvirkede med de frie elektroner og andre frie ladede partikler, tilsammen kaldet plasma. Plasmaen var så varm, at den var stærkt glødende, og de frie elektroner gjorde den helt uigennemsigtig.

De første atomer dannedes

Omkring 370.000 år efter Big Bang var rummet udvidet så meget, at det var afkølet til en temperatur svarende til Solens overflade. Rummet var gul-glødende, og temperaturen var omkring 4.000°C. Ved denne temperatur kan elektroner fastholdes omkring en atomkerne, og de første atomer blev derfor skabt ca. 370.000 år efter Big Bang.

De frie elektroner og andre ladede partikler var dermed stort set væk. Rummet blev gennemsigtigt, da det nu bestod af en tynd gas.

Den energi, der var til stede, da universet var minutter gammelt, var kun nok til at danne atomkerner af hydrogen helium og en anelse litium, så nu dannedes de egentlige grundstoffer – altså hele atomer af disse kerner, grundstofferne hydrogen og helium samt en anelse litium.

Og der blev lys

Rummet var fyldt med et gulligt lys, men da universet fortsatte med at udvide sig, blev lysets bølgelængde større og større.

Samtidig med, at elektronerne blev ‘fanget’ af atomkernerne, kom det meste af den elektromagnetiske stråling til at ligge inden for det synlige område.

Ved rummets udvidelse og afkøling blev bølgelængden større og større, så lyset først blev rødligt og derefter infrarødt. Til sidst blev bølgelængden så stor, at rummet blev helt mørkt.

En halv til en hel million år efter Big Bang var først og fremmest hydrogenet samlet i store klumper. De første stjerner var dermed dannet, og der kom igen synligt lys i rummet.

I stjernerne sker der en fusion af hydrogen- og senere af heliumkerner og videre af kul etc., og dermed begynder dannelsen af tungere grundstoffer end de tre grundstoffer, som blev skabt de 370.000 år efter Big Bang.

Derfor tror naturvidenskaben på Big Bang

Et af de vigtigste argumenter til støtte for Big Bang-teorien er, at astronomen Edwin Hubble i 1920’erne opdagede, at lyset fra galakser havde forskudte spektre – lyset var rødforskudt. Det kunne man forklare med, at galakserne bevægede sig væk fra hinanden.

Det ses oven i købet, at rødforskydningen bliver større og større, jo længere galakserne er væk.

Når galakserne således bevæger sig væk fra hinanden, er det rimeligt at antage, at de på et tidligere tidspunkt har været tættere på hinanden, og at stoftætheden i universet må have været meget større end i dag.

Et andet vigtigt argument er, at Gamow – ud fra Big Bang-teorien – i 1948 forudsagde den mikrobølge-baggrundsstråling, som først blev påvist næsten 20 år senere.

En stor støtte for Big Bang-teorien er også beregningen af, hvor mange forskellige isotoper af hydrogen-, helium- og litiumkerner, der blev dannet i de første minutter efter Big Bang. Beregningerne passer fint med det, man har observeret på stjerneoverflader, der ikke er forstyrret.

Der er stadig uløste problemer

Selv om Big Bang-teorien giver forklaring på mange af de fænomener, vi kan iagttage og måle i universet, er der flere problemer med teorien om Big Bang.

For eksempel er vores nye forståelse for partikelfysik svær at kombinere med Big Bang-teorien.

Ud fra studierne med acceleratorerne er man efter en lang og kompliceret forskning nået frem til en partikelmodel, der kaldes Standardmodellen.

Vi regner med, at temperaturen lige efter Big Bang – eller begyndelsen, hvordan den nu var – har været meget højere, end vi i dag er i stand til at frembringe i de store partikel-acceleratorer som dem i CERN i Schweiz.

Svært at forklare inflationsperioden

Ved hjælp af Standardmodellen kan vi ikke forklare, hvorfor der tilsyneladende opstod flere partikler end antipartikler.

Hvis Standardmodellen var den endelige sandhed om Big Bang-tiden, ville rummet og universet ikke se ud, som det rent faktisk gør! Der ville slet ikke være stort nok overskud af partikler over antipartikler til at lave alle de stjerner og gaståger – eller os selv – som man ser.

Et andet problem ved Big Bang-teorien er, at vi har svært ved at forklare inflationsperioden ordentligt.

Under inflationsperioden svulmede universet op, mindst svarende til at gå fra et atoms størrelse til at have et omfang som vort solsystem.

Inflationsperioden må have været så lang, at udvidelsen kunne lade sig gøre, men det har foreløbig vist at være rigtigt svært at formulere en teori, der gør dette muligt.

Big Bang er stadig den bedste teori

Med Standardmodellen alene ser det i første omgang ud til at være endnu sværere at få forklaret inflationen.

Big Bang-teorien giver heller ikke nogen forklaring på selve ‘skabelsen’ af universet, men forklarer kun, hvad der skete efterfølgende – og især efter inflationsperioden.

Vi ved ikke, om der måske var noget før Big Bang, og om der for eksempel er parallelle universer.

Her er god baggrund for spekulation, men følger vi Big Bang-teorien, er det meningsløst at spørge, om der var noget – tid, rum eller partikler – før Big Bang.

Big Bang er i dag stadig den bedste teori, vi har, til at forklare universets udvikling!