🚯 🧗🏻 🔁 اسأل إيثان رقم 76: عالم مبكر جدًا 🤚🏻 👉🏼 🙉

ماذا حدث عندما كان كل شيء ساخنًا لدرجة أن المادة والمادة المضادة تشكلت بشكل تلقائي؟

ويترتب على نظرية النسبية الخاصة أن الكتلة والطاقة مظاهر مختلفة لنفس الشيء - وهو مفهوم غير مألوف للعقل العادي.
- ألبرت أينشتاين

كل أسبوع لديك الفرصة لإرسال الأسئلة والاقتراحات لتصبح نجم عمودنا اليومي. يتم نقلنا هذا الأسبوع إلى المراحل الأولى من الإنفجار الكبير بفضل واين كينغ ، الذي يسأل:

هناك فترة لا نعرف الكثير عنها ، هذه هي فترة إبادة الجسيمات والجسيمات المضادة. هل كانت "مسألة" بمعنى البروتونات والبوزيترونات؟ وماذا حدث للنيوترونات؟ أم أنها شكل من أشكال الطاقة المضغوطة من مجال الديناميكا الصبغية الكمومية؟ كيف ظهرت؟ هل بقي شيء في عملية الإبادة؟ ما مقدار الطاقة التي تم إطلاقها ، وأين ذهبت؟
يقتصر معظم المؤلفين ببساطة على إلغاء الاشتراك العام ، ويصفون هذا الموضوع.

ما الذي يتحدث عنه واين؟ لنبدأ بالحالة الراهنة للكون ، ونضغط على الترجيع.

إن عالم اليوم مليء بالنجوم المرتبطة ببنى مجرية عملاقة ، وعلى نطاق واسع - في مجموعات وعناقيد وخيوط متقاطعة. في الجزء الذي يمكننا ملاحظته ، هناك ما لا يقل عن مئات المليارات من المجرات المنتشرة على مسافات عشرات المليارات من السنين الضوئية.

لكن كيف أصبح الكون هكذا؟ توسعت من حالة أكثر كثافة ومضغوطة وموحدة وساخنة. الآن كل شيء مشتت حتى الآن ، حيث كان الكون يتوسع منذ فترة طويلة جدًا.

من خلال استقراء الظهر ، نجد أن المعلمة التي ليست مهمة جدًا اليوم - درجة حرارة الكون ، والتي تبلغ 2.7 كلفن فقط - تؤثر على الكون أكثر وأكثر. في الكثافة والطاقة المنخفضة ، لا تؤثر الفوتونات المتبقية على أي شيء ، فهي تظهر فقط على شكل "ثلج" على القناة الثالثة ، إذا كنت لا تزال تستخدم تلفزيونًا تناظريًا مع هوائي هوائي.

لكن عندما كان الكون أصغر وأصغر ، لم تكن هذه الفوتونات أكثر كثافة فقط ، لأن حجم الكون كان أصغر ، ولكن أيضًا أكثر سخونة ، لأن الطول الموجي للفوتون يحدد طاقته. من خلال الاستقراء ، سنرى كيف يتحول إشعاع الميكروويف إلى الأشعة تحت الحمراء ، وترتفع درجة الحرارة من عدة درجات فوق الصفر المطلق إلى أرقام من رقمين ، وثلاثة أرقام ، ثم تتجاوز درجة حرارة الغرفة ، ونقطة غليان الماء ، وتبدأ في التنافس مع درجة حرارة النجم المحترق. في مرحلة ما ، يصبح كل شيء ساخنًا لدرجة أنه حتى الذرات المحايدة لا يمكن أن تتشكل ، لأن الإلكترونات التي تشكلها يتم إخراجها من مداراتها عن طريق بحر من الفوتونات.

إذا رجعت أكثر قليلاً ، فسنصل في لحظة لا يمكن فيها تكوين نوى الذرات ، لأنها مقسمة إلى بروتونات ونيوترونات منفصلة. ونتيجة لذلك ، يمكننا أن نذهب بعيدًا جدًا في الوقت الذي كان فيه الكون يبلغ من العمر ثانية واحدة وكانت الفوتونات نشطة للغاية لدرجة أن المادة والمادة المضادة يمكن أن تظهر بشكل تلقائي بكميات متساوية. قبل توسع الكون وتبريده ، خلال هذه المرحلة ، كان مجرد "حساء" من المادة ، المادة المضادة والإشعاع ، حيث تمت موازنة الفناء العفوي للمادة والمادة المضادة إلى طاقة نقية من خلال المظهر التلقائي لجزيئات المادة والمادة المضادة من الطاقة النقية . أشهر معادلة آينشتاين ، E = mc ² ، تعمل في كلا الاتجاهين.

كلما زادت طاقتك ، زادت أزواج الجسيمات الثقيلة التي يمكنك إنشاؤها تلقائيًا. إذا نظرنا إلى الوراء بما فيه الكفاية عندما كان متوسط الطاقة في الكون كبيرًا بما يكفي لإنشاء أزواج من الكواركات الحقيقية المعادية للحقيقة (أثقل الجسيمات المعروفة) ، سنرى أنه كان هناك عدد أقل بكثير من الفوتونات الآن.

لماذا؟

وذلك لأن زوج الجسيمات المضادة للجسيمات يمكن أن يهلك مع تكوين اثنين من الفوتونات ، وفي طاقات عالية بما فيه الكفاية ، يمكن للفوتونات أن تتفاعل مع ظهور زوج الجسيمات المضادة للجسيمات!

وعلى الرغم من وجود عدد معين من الفوتونات اليوم ، تخيل جميع الجسيمات الأساسية من النموذج القياسي ، سواء كانت ضخمة أو لا كتلة. جميع الكواركات الستة والعلامات القديمة ، ثلاثة ألوان لكل منها ، وثلاث لبتونات مشحونة ، وثلاثة نيوترينوات ، مع الجسيمات المضادة لها ، وثمانية غلوونات ، وثلاث بوزونات ضعيفة ، وفوتون وبوزون هيغز ، مع جميع تكوينات السبين المسموح بها.

بدلاً من مجرد الفوتونات ، يتم توزيع هذه الطاقة بالتساوي بين جميع أنواع الجسيمات. (وفقًا لتوزيع الطاقة Maxwell-Boltzmann والإحصاءات ذات الصلة: Fermi-Dirac for fermions و Bose-Einstein for bosons). عندما تكون الطاقة ودرجة الحرارة عالية بما فيه الكفاية ، فإن إبادة الجسيمات / الجسيمات المضادة تحدث طوال الوقت ، ولكن بنفس التردد مثل إنشاء الجسيمات / الجسيمات المضادة.

مع توسع الكون وتبريده ، ينخفض تردد الإبادة ، لأنه يصبح من الصعب على الجسيمات العثور على جسيماتها المضادة ، ولكن تردد التراجع ينخفض أكثر - تنخفض الطاقة إلى ما دون العتبة اللازمة للإنشاء ، ونتيجة لذلك ينخفض تكرار إنشاء الزوج بشكل كبير.

لحسن الحظ ، كل شيء تقريبًا غير مستقر ، لذلك هذا ما يحدث عندما يتوسع الكون ويبرد (بالترتيب) من حالة "البحر" ، حيث يطفو كل شيء (الجسيمات والجسيمات المضادة من جميع الأنواع) بما فيه الكفاية:

أزواج الكواركات الحقيقية المعادية للحقيقة تتوقف عن الظهور ، والباقي منها يبيد أو يتحلل.
تتوقف أزواج بوزون هيجز عن الظهور ، ويبيد الباقي أو يتحلل. يتزامن هذا تقريبًا مع انتهاك التناظر الكهربائي.
يتوقف Z_0 عن الظهور تلقائيًا ، وتتحلل معظم البقية.
تتوقف أزواج W + / W- عن الظهور ، وتتحلل معظم الأزواج المتبقية.
تتوقف أزواج الكواركات السفلية / المضادة للأسفل ، تاو / أنتيتاو ، الكواركات المسحورة / المضادة للسحر ، والباقي منها يبيد و / أو يتحلل.

في جميع الحالات ، يؤدي إبادة أو تحلل جزيئات أكبر إلى تسخين جميع الجسيمات المتبقية.

ثم يحدث شيء مثير للاهتمام: قبل أن يبرد الكون إلى قيمة العتبة التالية لإيقاف إنتاج الكواركات الغريبة / المضادة للغرابة ، يتم جعله رقيقًا بما يكفي وباردًا بما يكفي للانتقال من بلازما الكواركات - الغلوون إلى الباريونات الفردية (مجموعات من ثلاثة كواركات) ، المضادات الحيوية (مجموعات من ثلاث علامات أثرية) وميزونات (مجموعات من الكواركات والعلامات القديمة). وهنا يحدث الحبس أولاً.

بعد ذلك ، يحدث الإبادة والانحلال التاليان:

/ , / ;
/ , ( , );
/ /, , /;
, /;
/, /.

في هذه اللحظة ، لا يوجد في الكون سوى عدد صغير من البروتونات والنيوترونات ، وعدد كبير من أزواج الإلكترونات والبوزيترونات ، والنيوترينوات / مضادات النيوترينوات والفوتونات. نعم ، والمادة المظلمة ، بغض النظر عن ما تتكون منه (وكانت موجودة دائمًا) ، والتي ، وفقًا لافتراضاتنا ، لا تتفاعل مع الجسيمات الأخرى.

يمكنك أن تقرر أن الإبادة الإلكترونية / البوزيترون تحدث بعد ذلك ، ولكن يقع حدثان آخران أولاً.

أولاً ، تلعب البروتونات والنيوترونات لعبة: تحاول البروتونات الاندماج مع الإلكترونات لتكوين النيوترونات والنيوترونات ، وتحاول النيوترونات والنيوترونات السير في الاتجاه الآخر ، وتنتج البروتونات والإلكترونات. أيضًا ، يمكن للبروتونات ومضادات النيوترينو أن تجمع وتنتج النيوترونات والبوزيترونات ، ويمكن أيضًا التفاعل العكسي. لبضعة ميلي ثانية ، والتي بالنسبة لتاريخنا هي فترة زمنية مناسبة ، تحدث هذه التفاعلات بنفس التردد. ولكن مع انخفاض الطاقة ودرجة الحرارة ، يبدأ اختلاف الكتلة الصغير بين البروتون والنيوترون في التأثير ، وتصبح التفاعلات مع إنشاء البروتونات من النيوترونات أسهل قليلاً من التفاعلات مع إنشاء النيوترونات من البروتونات. مع اقتراب عمر الكون من المرتبة الثانية ، تختلف نسبة البروتونات والنيوترونات فيه من 50/50 إلى 85/15 لصالح البروتونات.

ثم يتم تجميد التفاعلات الضعيفة - وهي التفاعلات التي تسمح للنيوترينات بتبادل الطاقة مع أنواع أخرى من الجسيمات ، والتي تسمح بحدوث التحولات بين الفوتونات والنيوترونات. وهذا يعني أن تواتر التفاعلات والطاقة والمقطع العرضي الفعال يصبح صغيرًا جدًا بحيث لا تستطيع النيوترينوهات ومضادات النيوترينو المشاركة في التفاعلات التي تحدث في الفضاء. حتى هذه اللحظة ، تلقت الإلكترونات / البوزيترونات والنيوترينوات / مضادات النيوترينوات والفوتونات جزءًا نسبيًا من الطاقة من الإبادة. ولكن عندما تتجمد النيوترينوات ومضادات النيوترينوات ، يتوقفون عن المشاركة في هذه اللعبة.

وهكذا ، عندما تحدث المرحلة الأخيرة من الإبادة ، عندما يبرد الكون بحيث لم يعد يتم إنشاء أزواج الإلكترون / البوزيترون ، ويبيد ببساطة ، تاركًا إلكترونات كافية لتعويض الشحنة الكهربائية للبروتونات) ، فإنها تدمج كل الطاقة في الفوتونات ، وليس في النيوترينوات ومضادات النيترينو.

لذلك ، يتم قياس درجة حرارة إشعاع الخلفية الكونية الميكروية - خلفية الفوتونات المتبقية بعد الانفجار الكبير - عند 2.725 كلفن ، ويجب أن تكون درجة حرارة خلفية النيوترينوات المتبقية في منطقة 1.95 كلفن ، أو بشكل أدق (4/11) ^1/3 من درجة حرارة الفوتونات.

وبسبب هذا أيضًا - بعد ثلاث دقائق مع تافه - تحلل جزء من النيوترينوات المتبقية ، مما رفع نسبة البروتونات إلى النيوترونات إلى ~ 87.6 / 12.4. في هذه الخطوة ، تبرد الفوتونات أخيرًا بما فيه الكفاية بحيث يمكن أن يبدأ تكوين العناصر الأولى أثقل من الهيدروجين - التخليق النووي للانفجار الكبير. لهذا السبب حصلنا على نسبة الهيدروجين والهيليوم بالضبط بعد الانفجار الكبير: بسبب الأدوار التي لعبتها كل هذه الجسيمات في المراحل الأولى من الكون.

في يوم من الأيام ، أتمنى أن أبلغكم باكتشاف الخلفية الكونية للنيوترينو. تم الإعلان عن اكتشافه الشهر الماضي في اجتماع AAS ، لكن العمل على هذا الموضوع لم يظهر بعد. أعتقد أنني أحضرت أكبر قدر ممكن من المعلومات حتى لا أحولك إلى فيزيائيين نظريين ، وآمل أن يكون المقال متوازنًا بشكل جيد لتلبية احتياجاتك. حتى الآن ، هذه هي أفضل قصص ظهور الجسيمات في الكون وسلوكها في المراحل المبكرة من الانفجار العظيم الساخن ، ثم أثناء التبريد والإبادة والتحلل.

شكرا على هذا السؤال الرائع وآمل أن يكون الشرح قد تم توضيحه لك وللباقي. أرسل لي أسئلتك واقتراحاتك للمقالات التالية.

اسأل إيثان رقم 76: عالم مبكر جدًا

ماذا حدث عندما كان كل شيء ساخنًا لدرجة أن المادة والمادة المضادة تشكلت بشكل تلقائي؟

More articles: