🛀🏽 😋 🐳 एथन नंबर 76 से पूछें: ए वेरी अर्ली यूनिवर्स 🌪️ 🐋 🔮

क्या हुआ जब सब कुछ इतना गर्म था कि पदार्थ और एंटीमैटर अनायास बन गए?

यह सापेक्षता के विशेष सिद्धांत का अनुसरण करता है कि द्रव्यमान और ऊर्जा एक ही चीज की विभिन्न अभिव्यक्तियाँ हैं - औसत दिमाग के लिए अपरिचित अवधारणा।
- अल्बर्ट आइंस्टीन

हर हफ्ते आपके पास हमारे दैनिक कॉलम का स्टार बनने के लिए सवाल और सुझाव भेजने का अवसर होता है। इस हफ्ते हमें वेन किंग के लिए बिग बैंग के शुरुआती चरणों में ले जाया जा रहा है, जो पूछता है:

एक ऐसी अवधि है जिसके बारे में हम बहुत कम जानते हैं, यह कणों और एंटीपार्टिकल्स के विनाश की अवधि है। क्या यह प्रोटॉन और पॉज़िट्रॉन के अर्थ में "मामला" था? और न्यूट्रॉन का क्या हुआ? या यह क्वांटम क्रोमोडायनामिक्स के क्षेत्र से संकुचित ऊर्जा का कुछ रूप था? वह कैसे दिखाई दिया? क्या सर्वनाश की प्रक्रिया में कुछ बचा था? कितनी ऊर्जा जारी की गई, और यह कहां चली गई?
अधिकांश लेखक केवल इस विषय का वर्णन करते हुए सामान्य सदस्यता रद्द करने तक सीमित हैं।

वेन किस बारे में बात कर रहा है? चलो ब्रह्मांड की वर्तमान स्थिति के साथ शुरू करते हैं, और रिवाइंड दबाते हैं।

आज का ब्रह्माण्ड विशाल आकाशीय संरचनाओं में बंधे तारों से भरा है, और बड़े पैमाने पर - समूहों, समूहों और प्रतिच्छेदन धागों में। जिस भाग में हम देख सकते हैं, वहाँ कम से कम सैकड़ों अरबों आकाशगंगाएँ प्रकाश अरबों वर्षों की दूरी पर बिखरी हुई हैं।

लेकिन ब्रह्मांड कैसे बन गया? इसका विस्तार अधिक सघन, संकुचित, एकसमान और गर्म अवस्था से हुआ। अब सब कुछ इतना बिखरा हुआ है, क्योंकि ब्रह्मांड बहुत लंबे समय से विस्तार कर रहा है।

वापस एक्सट्रपलेशन करके, हम पाते हैं कि पैरामीटर जो आज बहुत महत्वपूर्ण नहीं है - ब्रह्मांड का तापमान, जो केवल 2.7 K है - ब्रह्मांड को अधिक से अधिक प्रभावित करता है। कम घनत्व और ऊर्जा पर, ये शेष फोटोन कुछ भी प्रभावित नहीं करते हैं, वे केवल तीसरे चैनल पर "बर्फ" के रूप में दिखाई देते हैं, अगर आप अभी भी एंटीना टीवी के साथ एनालॉग टीवी का उपयोग कर रहे हैं।

लेकिन जब ब्रह्मांड छोटा और छोटा था, तो ये फोटॉन न केवल सघन थे, क्योंकि ब्रह्मांड की मात्रा छोटी थी, बल्कि अधिक गर्म थी, क्योंकि फोटॉन की तरंग दैर्ध्य इसकी ऊर्जा को निर्धारित करती है। वापस एक्सट्रैपलेटिंग करते हुए, हम देखेंगे कि माइक्रोवेव विकिरण कैसे अवरक्त में बदल जाता है, तापमान कई डिग्री से बढ़कर शून्य से दो-अंकीय संख्या, तीन-अंकीय तक पहुंचता है, फिर कमरे के तापमान, पानी के क्वथनांक से अधिक हो जाता है, और एक जलते हुए सितारे के तापमान के साथ प्रतिस्पर्धा करना शुरू कर देता है। कुछ बिंदु पर, सब कुछ इतना गर्म हो जाता है कि तटस्थ परमाणु भी नहीं बन सकते, क्योंकि इलेक्ट्रॉनों जो उन्हें बनाते हैं, उन्हें फोटॉन के समुद्र द्वारा उनकी कक्षाओं से बाहर खटखटाया जाता है।

यदि आप थोड़ा और पीछे आते हैं, तो हम एक ऐसे क्षण में पहुंचेंगे जब परमाणु के नाभिक नहीं बन सकते हैं, क्योंकि वे अलग-अलग प्रोटॉन और न्यूट्रॉन में विभाजित होते हैं। और, परिणामस्वरूप, हम उस समय तक जा सकते हैं जब ब्रह्मांड केवल एक दूसरा पुराना था और फोटोन इतने ऊर्जावान थे कि पदार्थ और एंटीमैटर अनायास समान मात्रा में दिखाई दे सकते थे। ब्रह्मांड के विस्तार और ठंडा होने से पहले, इस चरण के माध्यम से, यह पदार्थ, एंटीमैटर और विकिरण का सिर्फ एक "सूप" था, जिसमें पदार्थ के सहज विनाश और एंटीमैटर को शुद्ध ऊर्जा में और पदार्थ के कणों की सहज उपस्थिति द्वारा संतुलित किया गया था। । आइंस्टीन का सबसे प्रसिद्ध समीकरण, ई = एमसी ² , दोनों तरीके से काम करता है।

आपकी ऊर्जा जितनी अधिक होगी, कणों के अधिक भारी जोड़े आप अनायास पैदा कर सकते हैं। जब तक ब्रह्मांड में औसत ऊर्जा बहुत बड़ी थी, तब तक वापस लौटना सही-एंटी-ट्रू क्वार्क (सबसे भारी ज्ञात कणों) के जोड़े बनाने के लिए था, हम देखेंगे कि तब बहुत कम फोटॉन थे।

क्यों नहीं?

इसका कारण यह है कि एक कण-प्रतिस्वेदक युग्म दो फोटॉनों के निर्माण के साथ विलोपित कर सकता है, और पर्याप्त रूप से उच्च ऊर्जाओं पर, फोटोन कण-एंटीपार्टिकल युग्म की उपस्थिति के साथ बातचीत कर सकते हैं!

और यद्यपि आज फोटॉनों की एक निश्चित संख्या है, बड़े पैमाने पर और व्यापक, दोनों मानक मॉडल से सभी मूलभूत कणों की कल्पना करें। सभी छह क्वार्क और एंटीक्वार्क, तीन रंग प्रत्येक, तीन चार्ज किए गए लेप्टान, तीन न्यूट्रिनो, उनके एंटीपार्टिकल्स, आठ ग्लून्स, तीन कमजोर बोसॉन, एक फोटॉन और एक हिग्स बोसॉन, सभी अनुमत स्पिन कॉन्फ़िगरेशन के साथ।

सिर्फ फोटॉनों के बजाय, यह ऊर्जा सभी प्रकार के कणों के बीच समान रूप से वितरित की जाती है। (मैक्सवेल-बोल्ट्जमैन ऊर्जा वितरण और संबंधित आंकड़ों के अनुसार: फेरमों के लिए फर्मी-डिराक और बोसोन के लिए बोस-आइंस्टीन)। जब ऊर्जा और तापमान काफी अधिक होता है, तो कणों / एंटीपार्टिकल्स का विनाश हर समय होता है, लेकिन कणों / एंटीपार्टिकल्स के निर्माण के समान आवृत्ति के साथ।

जैसे ही ब्रह्मांड का विस्तार और ठंडा होता है, विनाश की आवृत्ति कम हो जाती है, क्योंकि कणों के लिए उनके एंटीपर्टिकल्स को खोजना कठिन हो जाता है, लेकिन निर्माण आवृत्ति और भी अधिक गिर जाती है - ऊर्जा बनाने के लिए आवश्यक सीमा से नीचे गिर जाती है, जिसके परिणामस्वरूप जोड़ी निर्माण की आवृत्ति में तेजी से कमी आती है।

सौभाग्य से, लगभग सब कुछ अस्थिर है, इसलिए ऐसा ही होता है क्योंकि ब्रह्मांड "समुद्र" की स्थिति से फैलता है और ठंडा (क्रम में) होता है, जिसमें सब कुछ (सभी प्रकार के कण और एंटीपर्टिकल्स) पर्याप्त तैरते हैं:

सच्चे-विरोधी सच्चे क्वार्कों के जोड़े दिखाई देने बंद हो जाते हैं, और शेष व्यक्ति विलोपन या क्षय करते हैं।
हिग्स बोसोन जोड़े दिखाई देना बंद हो जाते हैं, और शेष विनाश या क्षय। यह लगभग विद्युतीय समरूपता के उल्लंघन के साथ मेल खाता है।
Z_0 अनायास प्रकट होना बंद कर देता है, और अधिकांश शेष क्षय हो जाते हैं।
W + / W- जोड़े दिखाई देना बंद हो जाते हैं, और अधिकांश शेष जोड़े क्षय हो जाते हैं।
निचले / विरोधी-निचले, ताऊ / एंटिटाउ जोड़े, मंत्रमुग्ध / विरोधी मुग्ध क्वार्क्स प्रकट होने के लिए संघर्ष करते हैं, और शेष लोग विनाश और / या क्षय करते हैं।

सभी मामलों में, अधिक भारी कणों के विनाश या क्षय से सभी शेष कणों का ताप होता है।

तब कुछ दिलचस्प होता है: इससे पहले कि यूनिवर्स अजीब / विरोधी-अजीब क्वार्क के उत्पादन को रोकने के लिए अगले थ्रेशोल्ड मान तक ठंडा हो जाए, इसे क्वार्क-ग्लोन प्लाज्मा से व्यक्तिगत बैरन (तीन क्वार्क का संयोजन) में स्थानांतरित करने के लिए पर्याप्त पतला और ठंडा बनाया जाता है। एंटीबॉडी (तीन एंटीकार्क्स के संयोजन), और मेसन (क्वार्क और एंटिकार्क के संयोजन)। और यहाँ कारावास पहले होता है।

इसके बाद, निम्न सत्यानाश और क्षय होते हैं:

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इस समय, केवल प्रोटॉन और न्यूट्रॉन की एक छोटी संख्या, इलेक्ट्रॉनों और पॉज़िट्रॉन, न्यूट्रिनो / एंटीन्यूट्रिनो और फोटॉन की बड़ी संख्या में ब्रह्मांड में बने हुए हैं। हां, और डार्क मैटर, कोई फर्क नहीं पड़ता कि इसमें क्या है (और यह हमेशा मौजूद था), जो, हमारी मान्यताओं के अनुसार, अन्य कणों के साथ बातचीत नहीं करता है।

आप यह तय कर सकते हैं कि इलेक्ट्रॉन / पॉज़िट्रॉन का सर्वनाश अगला होता है, लेकिन दो अन्य घटनाएं पहले होती हैं।

सबसे पहले, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन एक खेल खेलते हैं: प्रोटॉन इलेक्ट्रॉनों के साथ मिलकर न्यूट्रॉन और न्यूट्रिनो बनाते हैं, और न्यूट्रॉन और न्यूट्रिनो दूसरे तरीके से जाने की कोशिश करते हैं, प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉनों का निर्माण करते हैं। इसके अलावा, प्रोटॉन और एंटीन्यूट्रिनोस न्यूट्रॉन और पॉज़िट्रॉन को जोड़ और बना सकते हैं, और एक रिवर्स प्रतिक्रिया भी संभव है। कुछ मिलीसेकंड के लिए, जो हमारे इतिहास के लिए एक सभ्य समय अंतराल है, ये प्रतिक्रियाएं समान आवृत्ति के साथ होती हैं। लेकिन ऊर्जा और तापमान में कमी के साथ, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के बीच एक छोटा सा सामूहिक अंतर प्रभावित होने लगता है, और न्यूट्रॉन से प्रोटॉन के निर्माण के साथ प्रतिक्रियाएं प्रोटॉन से न्यूट्रॉन के निर्माण के साथ प्रतिक्रियाओं की तुलना में थोड़ी आसान हो जाती हैं। जब तक ब्रह्मांड की आयु दूसरी हो जाती है, तब तक प्रोटॉन और न्यूट्रॉन का अनुपात प्रोटॉन के पक्ष में 50/50 से 85/15 तक भिन्न होता है।

तब कमजोर अंतःक्रियाएं - बातचीत जो न्यूट्रिनो को अन्य प्रकार के कणों के साथ ऊर्जा का आदान-प्रदान करने की अनुमति देती हैं, और जो फोटॉन और न्यूट्रॉन के बीच संक्रमण की अनुमति देती हैं - जमे हुए हैं। इसका मतलब है कि अंतरिक्ष में होने वाली प्रतिक्रियाओं में भाग लेने के लिए न्यूट्रिनोस और एंटीन्यूट्रिनो के लिए बातचीत, ऊर्जा और प्रभावी क्रॉस-सेक्शन की आवृत्ति बहुत छोटी हो जाती है। इस बिंदु तक, इलेक्ट्रॉनों / पॉज़िट्रॉन, न्यूट्रिनो / एंटीन्यूट्रिनो और फोटॉन सभी को विनाश से ऊर्जा का आनुपातिक अंश प्राप्त हुआ। लेकिन जब न्युट्रीनो और एंटीन्यूट्रिनोज जम जाते हैं, तो वे इस खेल में भाग लेना बंद कर देते हैं।

और इसलिए, जब विनाश का अंतिम चरण होता है, जब ब्रह्मांड ठंडा हो जाता है ताकि इलेक्ट्रॉन / पॉज़िट्रॉन जोड़े अब नहीं बनते हैं, और बस विनाश करते हैं, प्रोटॉन के विद्युत प्रभार की भरपाई के लिए पर्याप्त इलेक्ट्रॉनों को छोड़ते हुए), वे सभी ऊर्जा को फोटॉन में विलय करते हैं, और न्यूट्रिनो में नहीं। और एंटीन्यूट्रिनो।

इसलिए, माइक्रोवेव कॉस्मिक बैकग्राउंड रेडिएशन का तापमान - बिग बैंग के बाद छोड़े गए फोटॉनों की पृष्ठभूमि - 2.725 K मापी जाती है, और शेष न्यूट्रिनों की पृष्ठभूमि का तापमान 1.95 K या, अधिक सटीक, (4/11) फोटॉनों के तापमान का ^1/3 के क्षेत्र में होना चाहिए ।

और इस वजह से भी - तीन मिनट के बाद एक ट्रिफ़ल के साथ - शेष न्यूट्रिनो का हिस्सा क्षय हो जाता है, प्रोटॉन के अनुपात को बढ़ाकर ~ 87.6 / 12.4 कर दिया जाता है। इस कदम पर, फोटोन अंततः पर्याप्त रूप से ठंडा हो गए ताकि हाइड्रोजन से पहले भारी तत्वों का निर्माण शुरू हो सके - बिग बैंग के न्यूक्लियोसिंथेसिस। इसलिए हमें बिग बैंग के बाद हाइड्रोजन और हीलियम का इतना अनुपात मिला है: क्योंकि इन सभी कणों द्वारा यूनिवर्स के शुरुआती चरणों में निभाई गई भूमिकाएं।

किसी दिन मुझे उम्मीद है कि आप न्यूट्रिनों की लौकिक पृष्ठभूमि की खोज के बारे में सूचित करेंगे। उनकी खोज की घोषणा पिछले महीने एक एएएस बैठक में की गई थी, लेकिन इस विषय पर काम अभी तक सामने नहीं आया है। मुझे लगता है कि मैं अधिक से अधिक जानकारी लाया हूं ताकि आप सैद्धांतिक भौतिकविदों में बदल न सकें, और मुझे आशा है कि लेख आपकी आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए अच्छी तरह से संतुलित था। अब तक, यह ब्रह्मांड में कणों की उपस्थिति और गर्म बिग बैंग के शुरुआती चरणों में उनके व्यवहार और फिर शीतलन, विनाश और क्षय के दौरान की सबसे अच्छी कहानी है।

अद्भुत सवाल के लिए धन्यवाद, और मुझे आशा है कि स्पष्टीकरण आपको और बाकी लोगों के लिए स्पष्ट कर दिया गया है। निम्नलिखित लेखों के लिए मुझे अपने प्रश्न और सुझाव भेजें ।

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