Ledakan besar dan panas
Hot Big Bang - ini adalah periode perkembangan Semesta, pada tahap terakhir yang kita jalani. Selama periode ini, bagian yang diamati dari Semesta awalnya padat dan panas, dan kemudian mulai mengembang dan dingin. Ekspansi telah melambat hingga saat ini. Jangan bingung: Big Bang Besar hampir pasti tidak dimulai pada saat-saat paling awal dalam kehidupan Semesta.
Beberapa orang menyebut Hot Big Bang (HBV) hanya "Big Bang." Lainnya, berbicara tentang Big Bang, juga menyiratkan waktu sebelumnya. Masalah-masalah terminologi akan dijelaskan dalam artikel berikutnya tentang inflasi.
Seberapa panas HBV dalam keadaan terpanas sebelum mulai dingin, dan bagaimana memulainya?
Tentunya ini belum kita ketahui. HBV dapat dimulai ketika alam semesta menjadi panas pada akhir periode inflasi. Dalam hal ini, panas HBV berasal dari energi gelap yang memicu inflasi, dan suhu maksimum HBV tergantung pada jumlah energi gelap yang tersedia.
Suhunya bisa:
- sebesar persentase besar suhu Planck (dan kemudian Semesta begitu panas sehingga bisa membuat lubang hitam hanya karena suhu), dan
- serendah suhu yang sesuai dengan energi Large Hadron Collider (dan kemudian itu tidak akan cukup untuk membuat partikel Higgs).
Dan mungkin tidak di bawah tanda ini.
Terkadang suhu maksimum HBV disebut "suhu reheat", tetapi kata "re" dapat menyebabkan kesalahpahaman. Orang berasumsi bahwa Semesta panas sebelum dan sesudah inflasi, maka "pemanasan ulang" - dan Anda dapat menemukan banyak situs, buku, video, gambar yang menunjukkan asumsi yang sama - tetapi tidak didasarkan pada apa pun.
Apa yang terjadi selanjutnya?
Kami sangat yakin bahwa kami menyadari tonggak utama dan banyak detail tentang apa yang terjadi selama 13,7 miliar tahun ke depan. Alam semesta secara bertahap mengembang (ruang menjadi lebih besar), dan karenanya mendingin dan menjadi lebih kosong. Dibandingkan dengan peristiwa yang luar biasa seperti inflasi, periode berikutnya relatif membosankan, meskipun tonggak sejarah yang cukup penting bertemu sepanjang jalan.
Beberapa menit setelah dimulainya HBV:
- Medan Higgs dihidupkan (mis., Nilai rata-ratanya menjadi nol), yang memastikan bahwa banyak partikel yang tidak memiliki massa sebelumnya, termasuk quark dan elektron yang ditemukan dalam materi biasa, menerima massa. Sejak saat itu, nilai bidang Higgs tetap konstan, setidaknya di bagian alam semesta yang dapat diamati.
- Quark, antiquarks, dan gluon yang terbang bebas bergabung untuk membentuk hadron, termasuk proton dan neutron.
- Inti atom pertama, berbeda dari hidrogen, terbentuk, sebagai akibatnya cukup banyak helium dan sedikit deuterium (hidrogen berat), serta litium, muncul di Semesta. Mereka kemudian menjadi bahan untuk bintang-bintang pertama.
380.000 tahun kemudian, segala sesuatu cukup dingin untuk terbentuk oleh atom pertama, dan sejak saat itu, Semesta sebagian besar menjadi tempat transparan, seperti yang kita lihat sekarang. Cahaya, yang kemudian mendapat kesempatan untuk bergerak bebas di Alam Semesta, memberi kita "radiasi kembali".
Sekitar seratus juta tahun kemudian, galaksi pertama mulai terbentuk dan bintang-bintang pertama menyala. Kerangka waktu yang tepat belum ditetapkan oleh pengukuran, tetapi mereka mencoba untuk melakukannya.
Sekarang kita hidup sekitar 13,7 miliar tahun setelah permulaan HBV. Perhatikan bahwa saya tidak menulis tentang "zaman Semesta", atau bahwa itu dimulai 13,7 miliar tahun yang lalu. Ini tidak diketahui oleh kita. Kita hanya tahu bahwa GBV dimulai 13,7 miliar tahun yang lalu - tetapi kita tidak tahu apakah momen ini dekat dengan permulaan seluruh Alam Semesta.
Inflasi
Era inflasi mungkin sangat singkat, tetapi tentu saja periode penuh warna di mana ruang di dalam bagian Semesta, termasuk bagian kita yang terlihat (yang dapat kita lihat hari ini), berkembang pesat dengan kecepatan yang benar-benar luar biasa. Kecepatan ekspansi begitu cepat sehingga tampak gila. Dan satu-satunya hal yang menjaga ide ini dari kegilaan adalah bahwa teori inflasi menghasilkan prediksi yang sejauh ini konsisten dengan ukuran ruang kita (termasuk yang dibuat oleh proyek
BICEP2 ). Ini tidak berarti bahwa itu benar, tetapi itu berarti bahwa:
- ada alasan bagus untuk percaya bahwa itu bisa benar, dan
- hari ini tidak ada yang bisa membuktikan bahwa itu salah.
Sekali lagi: ruang diperluas. Tidak masalah terkoyak ke ruang angkasa: ruang menjadi jauh lebih besar. Sama sekali
tidak terlihat seperti ledakan .
Seberapa gila kecepatan ekspansi? Bagian dari Semesta ukuran layar komputer Anda telah meluas ke ukuran bagian Semesta yang diamati hari ini, atau bahkan lebih, dalam waktu yang lebih singkat daripada kebutuhan quark untuk berpindah dari satu sisi proton ke sisi lainnya. Saya bahkan tidak akan mencoba membanjiri Anda dengan angka, sebagian karena sebenarnya kita tidak tahu berapa lama inflasi berlangsung, tetapi juga karena angka menunjukkan ukuran yang terlalu besar dan interval waktu yang terlalu kecil untuk dibayangkan orang. Bahkan, sepotong besar alam semesta diciptakan dari sepotong kecil hampir seketika.
Seperti apa alam semesta selama ekspansi ini? Kosong Sangat kosong. Jauh, jauh, jauh lebih kosong daripada ruang hari ini. Sangat dingin. Sangat gelap Segala sesuatu yang dapat hadir di dalamnya sebelum awal inflasi langsung robek dan dicuri dari jarak yang sangat jauh. Peringatan: ada tangkapan yang agak penting dan sangat halus mengenai pernyataan tentang Semesta kosong / gelap / dingin, dan saya belum tahu bagaimana menggambarkannya dengan lebih tepat. Akan lebih akurat untuk mengatakan bahwa Semesta bukan hanya "sangat" kosong, itu "maksimum" kosong, gelap dan dingin - kosong dari segalanya kecuali fluktuasi kuantum.
Apa yang terjadi sebelum inflasi dan bagaimana mulainya, kita tidak tahu. Ada beberapa teori yang masuk akal berdasarkan sains, tetapi semuanya akan menjadi spekulasi sampai seseorang menemukan cara untuk mengujinya menggunakan pengukuran. Periode "sebelum inflasi" mungkin tidak ada sama sekali - baik karena inflasi terus-menerus terjadi di suatu tempat di Semesta, atau karena waktu tidak akan masuk akal jika Anda kembali cukup jauh ke masa lalu, atau karena alasan lain. Tetapi dalam banyak konteks, itu tidak masalah, seperti yang akan saya jelaskan menggunakan gambar, menjawab beberapa pertanyaan yang sering diajukan di sepanjang jalan.
Apa yang menyebabkan tingkat inflasi gila?
Alasannya adalah sejumlah besar dari apa yang sering disebut:
- "Energi gelap" (tapi ini bukan energi, itu adalah kombinasi energi dan tekanan negatif tertentu), atau
- "Konstanta kosmologis" (kesalahan [bukan] Einstein; untungnya, ini bukan konstanta, atau Semesta akan mengalami inflasi selamanya), atau
- "Peregangan halus gelap" (yang benar, tetapi terdengar canggung dan tidak menjelaskan apa-apa).
Secara umum, ada sedikit zat ini di Semesta, itulah sebabnya laju ekspansi Semesta telah mulai meningkat selama beberapa miliar tahun terakhir. Tetapi, kami menduga bahwa pada suatu titik karena alasan tertentu itu jauh lebih besar. Karena hal ini, area yang mengandung bagian Alam Semesta kita meluas dengan laju yang luar biasa, yaitu, mengalami "inflasi". Gambar 1, 2, dan 3 berisi dugaan yang tidak berdasar dan mungkin salah mengapa inflasi dimulai, dan dalam gambar. Keempat detail dugaan ini tidak lagi memiliki arti.
Fig. 1: sebuah dugaan yang sama sekali tidak berdasar tentang bagaimana satu bagian dari alam semesta mungkin terlihat sebelum inflasi dimulai. Untuk beberapa alasan yang tidak diketahui, area abu-abu mengandung sejumlah besar energi gelap. Di dalam area abu-abu, saya menggambar beberapa objek, ditunjukkan oleh titik-titik hijau dan merah. Apa yang ada di luar wilayah abu-abu, saya tidak tahu, tetapi pada akhirnya itu tidak masalah.Dari mana datangnya energi gelap yang sangat besar ini?
Kami tidak tahu. Ada beberapa asumsi, beberapa di antaranya telah ditolak oleh data terbaru. Kami berharap dapat mempelajari lebih lanjut tentang topik ini dalam dekade mendatang.
Fig. 2: energi gelap menyebabkan area abu-abu mengembang. Objek di area abu-abu (titik-titik hijau dan merah) tersebar terpisah dengan perluasan ruang yang mengandung energi gelap, yang menjadi lebih dan lebih banyak, sementara tidak bergerak di luar area abu-abu.Mengapa kecepatan ekspansi tidak melambat jika ekspansi mengeluarkan energi gelap?
Adalah aneh dan mengejutkan bahwa dengan inflasi Semesta dan pertumbuhan volumenya, jumlah energi gelap dalam hal volume satuan tetap konstan. Ini berarti bahwa inflasi akan pergi, dan pergi, dan pergi, tidak melambat, sampai sesuatu membuat energi gelap menghilang.
Fig. 3: karena energi gelap, tidak seperti bahan konvensional, tidak menjadi lebih langka ketika ruang mengembang, dan kepadatannya tetap, area abu-abu terus berkembang. Pada saat ini, semua titik hijau dan merah, kecuali satu, telah menghilang dari pandangan. Berapa pun suhu daerah yang meluas di awal, ia menjadi sangat dingin (sedingin kondisi memungkinkan).Titik-titik hijau dan merah saling menjauh dengan kecepatan tinggi.
Apakah ini berarti ekspansi yang luar biasa sehingga semua benda saling menjauh dengan kecepatan melebihi kecepatan cahaya, batas kecepatan universal?
Ya, benar.
Apakah ini melanggar teori relativitas Einstein?
Tidak, itu tidak rusak. Teori Einstein mengatakan bahwa jika dua benda saling melewati pada satu titik di ruang, maka bagi seorang pengamat yang bergerak dengan salah satunya, kecepatan yang diukur dari objek lain tidak akan pernah melebihi kecepatan cahaya. Tetapi dua benda di dua tempat berbeda dapat bergerak menjauh satu sama lain lebih cepat daripada kecepatan cahaya jika ruang itu sendiri mengembang. Inilah yang terjadi di alam semesta yang mengembang.
Fig. 4: esensi dari era inflasi. Pada titik ini, inflasi telah menyebar semua objek yang ada di area abu-abu pada Gambar. 1 (titik merah dan hijau) pada jarak yang sangat jauh satu sama lain. Daerah abu-abu meluas ke ukuran yang sangat besar, menjadi sangat kosong dan dingin. Dan ekspansi dapat terus berlanjut dalam beberapa tahap. Tebakan awal ditunjukkan dalam gambar. 1 dan ara. 2, sama sekali tidak terkait dengan sifat-sifat dari bagian Semesta ini; jika kita mulai menebak dengan sangat baik pada ara. 1 dan 2, kita masih akan mendapatkan gambar yang sama. 4.Saya pikir Big Bang berhubungan dengan alam semesta yang sangat panas. Dan sekarang kau bilang dia sangat kedinginan?
Ya, benar. Yah, hampir seperti itu. Dia sedingin mungkin; Namun, kehadiran fluktuasi kuantum memperkenalkan karakteristiknya sendiri. Alam semesta menjadi panas setelah inflasi (lebih lanjut tentang itu nanti). Apakah panas di beberapa titik sebelum inflasi, pertanyaannya murni spekulatif; tidak ada bukti yang mendukung atau menentang. Tetapi selama inflasi, suhu turun ke sebagian kecil derajat di atas nol absolut.
Fig. 5: Perluasan situs inflasi melambat. Fakta bahwa seiring waktu akan menjadi bagian yang bisa diamati dari Semesta kita sudah cukup besar untuk menggambarnya - ini ditunjukkan oleh garis putus-putus merah.Mengapa inflasi berhenti?
Kami tidak tahu. Tentu saja ada beberapa asumsi ilmiah, dengan persamaan, prediksi, dan cara untuk mengujinya - setidaknya sebagian. Mungkin sebentar lagi kita akan belajar lebih banyak tentang ini melalui eksplorasi ruang yang berkelanjutan.
Apa yang terjadi ketika inflasi berhenti?
Tebakan terbaik (dan persamaan kami mengatakan bahwa ini mungkin, tetapi tidak memberikan perincian) adalah bahwa semua energi gelap telah berubah menjadi partikel, termasuk yang kita susun, dan menjadi banyak jenis partikel lain yang diketahui oleh kita, dan, mungkin, menjadi sekelompok partikel yang kita tidak tahu apa-apa. Dan ketika ini terjadi, Semesta menjadi sangat panas dan padat - dan terus berkembang, meskipun jauh lebih lambat.
Fig. 6: pada akhir inflasi, energi gelap yang mengisi bagian yang meluas sebelumnya berubah menjadi energi gerak dan energi massa partikel yang muncul dalam jumlah besar, yang membuat alam semesta sangat panas. Semakin gelap energi per satuan volume selama inflasi, semakin panas jagat raya setelah pemanasan. Area besar yang memanjang lebih jauh dari yang diperlihatkan, termasuk apa yang akan menjadi bagian kita yang dapat diamati dari Alam Semesta, diisi dengan sup partikel yang hampir seragam, panas, dan padat. Dari saat ini, Semesta berkembang lebih jauh, tetapi jauh lebih lambat daripada selama inflasi, dan secara bertahap mendingin.Itu adalah sumber dari Big Bang Besar. Beberapa orang (termasuk saya) hanya mengatakan: Momen ini adalah awal dari Big Bang. Yang lain mengatakan bahwa Big Bang termasuk Hot Big Bang dan inflasi, meskipun aneh - inflasi lebih seperti peluit daripada ledakan. Beberapa mengatakan inflasi menyebabkan ledakan di Big Bang, pertama membuat alam semesta menjadi besar dan berkembang, dan kemudian membuatnya panas. Orang lain mengatakan bahwa Big Bang termasuk Big Bang, inflasi, dan segala sesuatu yang datang sebelumnya. Tapi ini adalah pernyataan yang berisiko - sebelum inflasi mungkin ada sesuatu yang tidak pantas disebut "ledakan" (peristiwa yang energetik, penuh peristiwa, dan mendadak).
Karena terminologi belum ditetapkan, Anda dapat memutuskan sendiri apa sebenarnya yang disebut istilah "Big Bang". Penting untuk diketahui bahwa Anda memiliki beberapa kemungkinan, dan bahwa para ilmuwan dan situs yang berbeda mungkin memiliki konsep yang berbeda, disebut sebagai Big Bang.