A világegyetem születése

Hogyan jött létre a világegyetem?

A részecskefizika válságban van? Keith Baker, a Thomas Jefferson National Accelerator Facility fizikusa úgy látja, hogy ez egy olyan időszak, amikor lehetőség nyílik új jelenségek leírására.
Videó megtekintése

A kozmikus fejlődés modern elméletei szerint a világegyetem egy szinguláris robbanással kezdődött, amelyet az inflációs tágulás kitörése követett. Az infláció megértéséhez áttörésre van szükség az alapfizika, a kvantumgravitáció és a végső egységes elmélet megértésében. Bár az inflációs körülmények túl nagy energiájúak ahhoz, hogy a Földön reprodukálhatók legyenek, megfigyelhetjük a jeleit, amelyeket az évezredek során az abból a korszakból még mindig kimutatható reliktumanyagon lévő lenyomataik révén közvetítettek.
Az inflációt követően a korai világegyetem körülményei még mindig olyan szélsőségesek voltak, hogy az elemi részecskék új anyagfázisokká egyesülhettek. Ahogy a világegyetem tágult és lehűlt, átmenetek történtek, amikor az anyag egyik fázisból a másikba váltott, mint ahogy a gőz vízzé sűrűsödik. E fázisátmenetek némelyike a kozmikus történelem legdrámaibb eseménye lehetett, amely alakította a világegyetem fejlődését, és ma is megfigyelhető maradványokat hagyott maga után. A kozmikus fázisátalakulásokat nagyenergiájú gyorsítókísérletekkel lehet újraalkotni.

Eszközök egy tudományos forradalomhoz

A kozmikus fejlődés jelenlegi elméletei szerint a világegyetem egy “kezdeti szingularitással” kezdődik, egy olyan ponttal, ahol a fizika minden ismert törvénye összeomlik. Ez a szingularitás egy finoman kiegyensúlyozott univerzumot hozott létre, mint egy ceruza, amely olyan pontosan egyensúlyoz a hegyén, hogy 14 milliárd évig egyenesen marad. Hogyan jutott el az univerzum ilyen állapotba? Hogyan lett ilyen öreg? Miért nem robbant szét még jobban, vagy miért nem omlott vissza önmagába?

Az elmúlt két évtizedben a kozmikus infláció elmélete meggyőző magyarázatot adott az ősrobbanás kezdetére. Eszerint az elmélet szerint a felgyorsult tágulás egy korai szakasza hozta létre a ma látható kiegyensúlyozott univerzumot. A kozmikus infláció az a kéz, amely a ceruzát a hegyére egyensúlyozta. Melléktermékként létrehozta azokat a magvakat is, amelyekből csillagok, galaxisok, galaxishalmazok és más struktúrák fejlődtek ki a világegyetemben.

A kozmikus infláció kihívásokat jelent a jelentésben szereplő alapvető kérdésekkel kapcsolatban. Az egyik lehetőség, hogy a kozmikus infláció a sötét energia egy olyan formájával keletkezett, amely hasonlít a ma megfigyelt sötét energiához. Ha ez így van, akkor milyen anyag hozta létre? Szerepet játszik-e az anyagnak ez a formája az egyesülésben? Hogyan kapcsolódik az extra dimenziókhoz? Még radikálisabb az a lehetőség, hogy a tér és az idő az ősrobbanás kezdetén megváltoztatta a természetét. A húrelmélet elsimítja a kezdeti szingularitást? Valójában melyik modellt választotta a természet?

Jelenleg a kozmikus mikrohullámú háttér (CMB) ingadozásainak mérései, különösen a WMAP mérései szolgáltatják a legjobb bizonyítékot az infláció mellett. A kozmikus paraméterekre, például a világegyetem görbületére és a kozmikus szerkezet jellegére vonatkozó megszorítások nagyjából összhangban vannak az inflációs elmélet előrejelzéseivel. Végül a CMB polarizációjának mérései lehetővé tehetik az infláció korszakában keletkezett gravitációs hullámok jeleinek kimutatását, amelyek információt szolgáltathatnak az inflációt kiváltó skalármező természetéről.

Az ősrobbanás után a világegyetem kitágult és lehűlt, hogy elérje jelenlegi állapotát. Útközben az univerzum egy sor fázisátalakuláson ment keresztül, amelyek során a különböző részecskék megfagytak, ahogy a víz is jéggé változik, ahogy lehűl. Ezek a fázisátmenetek a kozmikus történelem legfontosabb korszakai közé tartoztak. Például egy fázisátalakulás lehetett a kozmikus infláció mozgatórugója. A fázisátmenetek “kozmikus hibákat” hozhatnak létre, például húrokat és textúrákat, valamint az anyag más egzotikus formáit, amelyek megmagyarázhatják az ultranagy energiájú kozmikus sugárzást, a sötét anyagot és talán még a sötét energiát is.

Az LHC-n végzett kísérletek tovább fogják megvilágítani az elektrogyenge fázisátalakulást, ahol a legtöbb ismert részecske megszerezte tömegét. Ennek a fázisátmenetnek a jobb megértése lehetővé teszi a tudósok számára, hogy közelebb kerüljenek magához az ősrobbanáshoz. Valószínű ugyanis, hogy az elektrogyenge fázisátalakulás a végső forrása az anyag-antianyag aszimmetriának, amelyet ma az univerzumban látunk. Új részecskék és új kölcsönhatások felfedezései fogják megvilágítani ezt a történetet, és eldönteni, hogy igaz-e. Ezenkívül a kozmikus evolúcióról szóló beszámolónak tartalmaznia kell az új szimmetriák vagy új dimenziók felfedezéseit.

Jelenleg a legintenzívebben vizsgált kozmikus fázisátalakulás a kvantumkromodinamikához (QCD), a magerő elméletéhez kapcsolódik. A QCD fázisátmenet során a jelenlegi világegyetemben a bariónikus anyag a kvarkok és gluonok plazma-szerű állapotából kondenzálódott. A BNL-ben található Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) berendezésben jelenleg nehézionok ütközéseit hozzák létre a kvark-gluon plazma tanulmányozására; az LHC-ben található ALICE kísérlet a kvark-gluon plazmát vizsgálja magasabb energiákon és hőmérsékleteken. A Lattice Computational Facilities lehetővé teszi a RHIC-adatok és a korai világegyetem fejlődésének e korszakában uralkodó körülmények megértését elősegítő számításokat.