A 1.1. Universum blir till

Universums födelse och utveckling i korta drag, sammanställd av Seppo Nurmi, 2007 - 2014.


Big Bang för 13,8 miljarder år sedan

Senaste mätningarna som basera spå analysen av sk 3 Kelvin graders mikrovågs bakgrundsstrålningen, samt analys av kvasarer och andra mycket gamla astronomiska objekt, visar att universums ålder är ca 13,8 miljarder år. Nedan universums utveckligsfaser, där de första är extremt korta, och kan bara anges med det vetenskapliga sättet i negative tiopotenser typ 10-4 = 0,0001 , eller 10-43 som är ett tal 0,000…0001 med totalt 43 nollor med den före decimalkommat medräknad.


Planck Era: den första bråkdelen (10-43 ) av en sekund

Första fasen i Big Bang kallas Planck era. Universum har nu bara existerat en tid som är kortare än den kortaste teoretiskt mätbara tiden. Kvantfysik sätter en gräns på vad som är kortaste tiden som ens i teorin kan fysikaliskt mätas, det är relaterat till Plancks konstant, och kallas därför ”Planck-tiden”. Ingen fysikalisk teori når denna tid i universums början, men man förmodar att ett totalt kvantfysikaliskt kaos råder.


Inflation era: nästa aningen längre bråkdelen (10-12 ) av en sekund

Universum är ungefär 10-12 ... 10-10 sekunder ”gammal”. Nu börjar en snabb exponentiell expansion av universum som kosmologerna kallar för ”inflation”. När inflationsfasen slutar är lite av smaksak då den inte slutar abrupt utan går över mjukt till en jämnare expansionstakt. Universum är i början extremt het, har extremt mycket fri energi ur kaoset, och börjar expandera snabbt. Temperaturen beskriver medelhastigheten, och den fria energin som finns tillgänglig. När universum expanderas så kyls den något hela tiden. Det är helt enkelt resultat av att avstånden töjs och partiklarna hinner inte lika långt på samma tid.

Vakuumenergi

Den gamla klassiska fysikens vakuum avsåg någonting tomt med noll energi, men enligt kvantteorin finns det alltid en lägsta energinivå vilket inte är noll. I de nyare teorierna som kallas kvantfältteorier gäller det även vakuum. I en kvantfältteori finns ingen fullkomlig tomhet, utan tomrummet virvlar av lite spöklika virtuella partiklar, vars mycket kortvariga men frekventa existens tillåts av Heisenbergs osäkerhetsrelation. Vakuumenergin betecknar de allra lägsta energinivåerna som finns tillgängliga i det tomma rummet. Den första vakuumenergi nivån som uppstår är sk. ”falskt vakuum” (kallad så eftersom den inte är den slutgiltiga).

Vid expansion och kylning (även om bara lite ännu så länge) uppstår nya möjligheter. Det som händer är en symmeribrytning, när det ursprungliga enhetliga fältet delar sig i fler och nya och även lägre energitillstånd blir tillgängliga. ”Äkta vakuum” (dvs. den slutgiltiga) uppstår nu med ett lägre energiläge är den tidigare ”falska vakuum”, vilket befriar energi och driver upp expansionstakten (detta är dock hypotetiskt, fullt fungerande matematisk teori saknas ännu). Den extremt snabba expansionen töjer ut alla ojämnheter så att slumpmässiga fluktuationer som kom från kaoset i alltings början jämnas ut och universum blir jämn i stora drag, och energin i den ganska så jämnt fördelad. Teoretiskt finns dock kvar mycket små fluktuationer, och precis så små fluktuationer har ganska nyligen mätts i den bakgrunds mikrovågsstrålningen, som är resterna vi har kvar av Big bang.

Enligt en hypotes, som nu (2009-2010) håller på att testas i den nya stora acceleratorn i CERN, hänger detta ihop med ett grundläggande fält som kallas ”Higgs fält” som förmedlas av särskilda fältpartiklar, Higgs bosoner. Denna är inte egentligen något av naturens mätbara kraftfält utan ett hypotetiskt vakuumfält som bromsar partiklar så att de förefaller massiva och tröga. Detta är enligt hypotesen grunden till massans existens, annars skulle det bara finnas energi men ingen massa och ingen tröghet. Alla partiklar känner inte av Higgs fält och bromsas inte, vilket gäller i början alla fält-partiklar. Även Higgs bosonerna är i början lika med alla andra fältpartiklar och är utan massa, dvs. de bromsas inte av varandra heller. Symmetribryningen ger massa åt Higgs bosoner, som i sin tur ”tynger ner” de andra partiklarna som redan reagerar med Higgs fält.

Att Higgs fält ger massa har inte med gravitationen att göra, då gravitationen förmedlas av gravitoner och påverkar all energi, vare sig den har trög massa eller inte. Man kan säga så att alla partiklar har tyngd, men Higgs fält ger vissa en tröghet. Fotoner till exempel har tyngd pga sin energi men ingen tröghet och de rör sig med ljusets hastighet. Men när fotoner går igenom glas så fångas (absorberas) de av glasets atomer och släpps (emitteras) vidare något senare, visserligen synkront med vågen, men ändå försenade. Denna process bromsar själva ljusvågens hastighet i glas. Higgs mekanismen fungerar på ett analogt sätt så att den massiva partikelns vågfunktions framfart bromsas, och partikeln, som styrs av sin vågfunktion, sackar efter. Enligt allmänna relativitetsteorin måste den tunga massan ha en distinkt relation till den tröga massan, men just där är Higgs-hypotesen lite svävande, eller kanske tvärtom, relativitetsteorin är inte testad i mikroskopiska förhållanden, och kanske inte håller fullt ut där.

De fyra krafterna

Denna separation av fält kan ses som en sorts kondensationsprocess av olika nivåer av kvantfält energi ur det ursprungliga ”falska vakuum”. I tur och ordning separeras fyra kvantfält, också kallad grundläggande ”krafter”. Varje kraft har förmedelare, fältpartiklar, också kallade fält bosoner. Det blir bara fyra ur-krafter, inga fler, det har man mycket starka indikationer på. De fyra krafterna är

gravitationen eller tyngdkraften, fältpartikeln är hypotetisk (inte ännu funnen) och heter graviton

De två första fälten har utsträckning i hela rummet medan de två sista verkar bara på mycket korta avstånd mellan partiklar. Tyngdkraften är enpolig, det finns bara en sorts ”gravitationsladdningar” och de verkar bara på ”tilldaragande” riktning. Elektromagnetismen är två-polig, polerna kallas ”plus” och ”minus” (vilket är egentligen bara namn på de olika sorterna, de kunde ha kallats annorlunda). De olika sorterna drar till sig varandra, medan samma sort stöter ifrån. Den starka kraften är tre-polig, och eftersom det råkar vara tre grundfärger har man tagit det som en passande analogi. Det är därför det talas om ”färgkraften” detta sammanhang. Den svaga kraften sedan har visat sig höra ihop med den elektromegnetiska kraften, den uppstår med en ”vridning” ur den (det finns en viss abstrakt matematisk vinkel med i bilden), och de svaga bosonerna är liksom lite förvridna och klumpigare syskon till fotonen.

Kondensationsprocessen i kort sammandrag:

1) Partiklar som uppstår i början är alla lika, i höga energier finns det bara en enhetlig typ av fermion partikel ??? Dessa påverkar varandra via kraftfält, genom att de absorberar och emitterar fältpartiklar, bosoner, som också bara finns en. Det finns nu bara fermioner och bosoner. (Hypotesen om ”supersymmetri” kräver att det finns också ”sfermioner” och ”bosiner” men den hypotesen är ännu obeprövad; inte desto mindre verkar det finnas fler partiklar eller i alla fall materia, sk. mörk materia, av något slag som det ännu inte finns någon fungerande teori till.)

2) Först separeras gravitationsfältet från andra fält (som ännu håller ihop i ett fält kallad GUT (från en teori som förenar krafterna, kallad entusiastiskt för ”Great Unified Theory”). GUT-fältpartiklarna separeras från gravitatiosfältets partiklar, gravitoner (som är hypotetiska, ingen har ännu hittat någon graviton). Alla andra partiklar (fermioner), de som inte är fältpartiklar, finns också ännu bara en gemensam sort.

3) GUT-fältet separeras till elektrosvag och stark fält. Starka fältets boson-partiklar kallas för gluoner. Ur fermionerna kondeseras också isär de som känner den starka kraften, de kallas för kvarkar och är sex olika typer. Två av dem ”up”, och ”down” är vanligast och bildar den största delen av all massa. De som är kvar och känner inte den starka kraften och kallas för leptoner, och de är ännu alla lika.

4) Elektro-svag fält separeras till elektromagnetisk och svag fält. Elektromagnetiska fältets partiklar kallas fotoner, de är ljuspartiklarna, så nu blir det ljust. Fast i extremt höga energier som här är det mest gamma-strålning som inga ögon kan se, och som ”bränner” sönder allt, även partiklarna så snart de uppstår. Men det uppstår nya hela partiklar tiden för energin är fortvarande hög i den fortvarande mycket heta universum. Det svaga fältets bosoner kallas just bara ”svaga bosoner”. Ytterligare separeras nu de olika typerna av leptonerna från varandra, de blir också sex olika typer. Utom elektroner finns myoner, taoner, och tre olika sorters neutriinon.

Partiklar som nu finns är, dels bosonerna som nämns ovan, dels fermionerna som delas i:

- Kvarkarna som känner stark kraft och alla andra krafterna också.

De är 6 olika ”smaker”: up, down, strange, charm, top, bottom.

- Leptonerna som reagerar inte på starka kraften alls, men på alla andra krafterna.

De är också 6: elektron, myon, taon, elekron neutriino, myon neutriino, taon neutriino.

Det finns starka misstankar att antalet 6 i båda fallen har en logisk koppling, men man har inte klart för sig vad slags koppling.

Sedan måste det alltså finnas någon sorts partiklar för den mörka materian, om fysikens lagar alls ska hålla som vi tror oss veta om dem. Den mycket omtalade mörka energin däremot kanske är någonting annat, något slags källa av negativ gravitationspotential; potentialenergi kan nämligen vara negativ, det är helt normalt i det sammanhanget. Vad är energi? Det är en sorts bokföringssummor egentligen. Det finns bevarandelagar av olika slag, och alla har de gemensamt att de håller en grundläggande bokföringssiffra konstant i slutsumman, och det kallas för totalenergin. I energibokföringen förs massan och rörelsenergin på debetkontot, och potentialenergin på kreditkontot.


Materia - antimateria separation: ytterligare bråkdelar (10-11 ) av en sekund

Kvarkarna blir fler än antikvarkar när 10-11 sekunder har gått, dvs. antimateria och materia skiljs åt. Det är fortvarande extremt tättpackat och hett i universum (det är mer tättpackad än det är mitten av en stjärna nu). Partiklar skapas och förintas rasande fart och livstiden av varje partikel är knappt mycket längre än Planck-tiden ännu. Det finns en liten potentiell brist på symmetri som leder till att det faller eller bryts i ena hållet. När universum kyls ner ytterligare lite blir det något mer partiklar än antipartiklar. Partiklar och antipartiklar är annars lika men har motsatta elektromagnetiska egenskaper. Det finns en liten elektro-svag asymmetri i naturlagarna som gör att det nu produceras något fler partiklar än antipartiklar i alla kollisionerna mellan partiklar (det är den svaga kraften som stor för denna asymmetri?).

Antipartiklar och partiklar förintar varandra. Så brukar man säga, men det kan kräva en precisering. När en antipartikel möter en partikel kommer också ut partiklar, fast oftast inte inte samma sorts partiklar. Det enda som alltid bevaras i sådana partikelkollisioner än energin. Därför säger man att partiklarna annihileras, eller förvandlas till ”ren energi”. Det kommer dock aldrig ut någon ”ren energi” ur kollisionen, utan partiklar av andra sorter, lika portioner partiklar som antipartiklar. Ganska vanligt är att det blir fotoner, men alltid två fotoner, varav den andra kan sägas vara en ”antifoton”. Det är bara det att fotonen speciell på så sätt att den är helt identisk med sin antipartikel.

Av ännu okänt anledning finns en liten asymmetri i antalet partiklar och antipartiklar i själva Bing-Bang (Man kan spekulera t.ex att asymmetrin härstammar från tiden innan naturlagarna har hunnit etableras). I alla fall när sedan partiklar och antipartiklar möts i den mycket heta och täta tidiga universum och bildar fotoner så räcker inte antipartiklarna till och efter ett tag är det nästan inga antipartiklar kvar. Det finns kvar bara lite antipartiklar som uppstår i andra partikelreaktioner, mycket få och kortvarigt, medan det är partiklar som finns i stora mängder, och fotoner ännu mycket fler. I själva verket är det fotonerna som dominerar. Man brukar säger att universum i denna era är ”strålningsdominerad”.

Elementärpartiklarna

Nu har vi fått full uppsättning av alla partiklar som det finns och det kan vara dags att lista dem.

Första delningen är den till fält-partiklar och struktur-partiklar. De förra kallas för ”bosoner” för att de följer statistiska kvantlagar som först beskrev av Bose, och som Einstein hjälpte till att vidareutveckla, nu kallad ”Bose-Einstein statistik”. De samlar sig och rör sig gärna ihop samordnade och förstärker varandras verkan, vilket leder till att de verkar tillsammans som kraftfält som binder ihop partiklar. Nedan en tabell över elementära bosoner:

Fält-partiklar - bosoner


Negativ svag boson
W -

Foton g


Positiv svag boson
W +

Neutral svag boson
Z0

Gluonerna (8 st. olika ”färg” kombinatioer)

Gluonerna (8 st. olika ”anti-färg” kombinatioer)

Graviton (hypotetisk)


Den andra huvudgruppen av partiklar kallas för ”fermioner”, och de följer en lite annorlunda statistiska kvantlagar som beskrevs först av Fermi, som utgick från Pauli förbud regeln, och vidareutvecklades av Dirac, nu kallad ”Fermi-Dirac statistik”. Pauli-förbudet säger att identiska fermion-partiklar inte kan befinna sig fler än en på samma plats, i samma kvantenergiläge. Partiklarna tvingas isär i olika lägen och kommer därför att bilda bestående strukturer som atomkärnor, atomer, stjärnor, planeter, sten, vatten, växter, djur och folk. Vidare delas de elementära fermionerna till leptoner och kvarkar. Möjligen finns det fler elementära partiklar men de är ännu obevisade och bara hypotetiska (Higgs partiklar, supersymmetriska partiklar). Dessutom finns nu delningen till partiklar och antipartiklar. Eftersom antipartiklarna är i övrigt identiska med partiklar utom elektromagentiska egenskaper (som är motsatta), brukar man ibland lämna bort dem i partikel tabeller. Jag har dock tagit med dem också. Också när det gäller bosoner tas om partiklar och antipartiklar, men eftersom en del av bosonerna är sina egna atnti-partiklar är den delningen inte lika tydlig där. Nedan en tabell över elementära fermioner:

Fermioner, partiklar

Fermioner, antipartiklar

Leptoner

Kvarkar

Anti-leptoner

Anti-kvarkar

Electron
e-

Electron neutrino
ne

Upp (up) kvark
u

Ner (down) kvark
d

Positron (anti-electron)
e+

Electron anti-neutrino
_
ne

Anti-upp (up) kvark
_
u

Anti-ner (down) kvark
_
d

Myon
m-

Myon neutrino
nm

Sär (strange) kvark
s

Charm kvark
c

Anti-myon
m+

Myon anti-neutrino
_
nm

Anti-sär (strange) kvark
_
s

anti-charm
kvark
_
c

Taon
t-

Taon neutrino
nt

Topp (top, truth) kvark
t

Botten (bottom, beauty) kvark
b

Anti-taon
t+

Taon anti-neutrino
_
nt

Anti-topp (top, truth) kvark
_
t

Anti-botten (bottom, beauty) kvark
_
b


Namnen generellt har ingen särskild fysikalisk betydelse, de flesta hänvisar inte på något sätt till partiklars egenskaper, utan det är bara fysikernas fantasi och behovet att ha ett slags namn som ligger bakom. Att namnen är så osammanhängande beror på att partiklarna har upptäckts i så olika tider. Elektronen var den som upptäcktes först, i slutet av 1800-talet, och är den enda som hänvisar till en fysikalisk egenskap, nämligen till att elektronen är bäraren av den elektriska strömmen. ”Anti-elektron” brukar kallas för positron av historiska skäl, för den upptäcktes innan nomenklaturen med antipartiklar var tagen i bruk. Den senast upptäckta av dessa är topp-kvarken år 1995. Man misstänker i dag att listan inte är komplett, för det verkar finnas mycket massa i universum som inte kan förklaras med dessa partiklar. Bevisen är dock ännu så länge indirekta, experimentella resultat saknas ännu.

Bosonerna skapar kraftfält, detta kallas gemensamt för kvant-fält-teorier. Så enligt en sådan teori som kallas kvantelektrodynamik är det fotonen ansvarar för det elektro-magnetiska fältet. Boson-tabellen ovan är något kontroversiell, för jag har med flit placerat fotonen, som alltså är fältpartikel för elektromagnetismen, ihop med den svaga kraftens fältpartiklar för att det finns en rätt så välunderbyggd teori som binder ihop dem, med engelskt namn ”Salaam-Weinberg electro-weak theory”. De partiklar som är placerade mitt i tabellen är sina egna antipartiklar. Jag har tagit med tyngdkraftens hypotetiska fältpartikel graviton, men inga andra hypotetiska partiklar (Higgs och supersymmetriska partiklar). Det skulle ha varit svårt att göra en tabell med dessa ganska bristfälligt ”lagbundna” partiklar, som dessutom kan visa sig att de inte finns alls. Om nu gravitonen inte skulle finnas (vilket skulle betyda att gravitation inte är något kvantfält), får gravitonen ändå här representera gravitationskraften, som annars inte skulle fått någon plats i tabellen. Gluonerna är den starka kraftens fältpartiklar och deras interna delning och ”färg”-laddningar skulle kräva en tabell för sig. Gluonerna har men inte heller upptäckt så de är i viss mening hypotetiska, men å andra sedan förklarar teorin varför man inte kan se rena gluoner i naturen, utan bara deras verkan via kvarkar.

Kvarkarna går inte heller att finna i naturen, så står det ibland i populärvetenskapliga framställningar, men det är inte alldeles sant. Man ser aldrig partiklarna i sig, inte elektronerna heller fast de är de som har längst varit kända. Man ser bara hur partiklar manifesterar sig i olika sammanhang, så att man kan mäta deras egenskaper. Så kan man också se kvarkarna och gluonerna, man har till och med kunnat mäta massan av kvarkarna genom deras reaktioner med andra partiklar. Gravitonen har man däremot inte kunnat mäta på något sätt alls.

Om man läser lite äldre vetenskaplig litteratur finner man avsevärt fler ”elementarpartiklar”, men de flesta av dem betraktas inte som elementära efter kvark-teorins intåg. Protoner, neutroner, Delta, Sigma, Lambda, Omega osv. tyngre partiklarna kallas ”baryoner” med ett gemensamt namn, och är sammansatta av tre kvarkar enligt kvarkteorin. De något lättare ”mesonerna”, pi, kappa, eta osv. består av två kvarkar, eller egentligen en kvark och en antikvark. Veterligen förekommer inga andra kombinationer av kvarkar i naturen. Men det blir rätt många ändå, och det stora antalet ”elementarpartiklar” från sjuttiotalet och tidigare förklaras av dessa kombinationer. Bland dem finns faktiskt också några av de mest välkända, nämligen atomernas kärnpartiklar, proton och neutron som är sammansatta av kvarkar: proton = u+u+d, neutron = u+d+d.

Det är ändå rätt många elementarpartiklar (48 fermioner + 21 bosoner) , och försök har gjorts att förklara dem alla som kombinationer av att litet antal, t.ex tre, ”partoner”. Sådana försök har inte varit lyckade än så länge. Det finns också helt annorlunda teorier, en av de mest populära nu på uppgång är ”super-string teorin”, som förklarar partiklarna som ett slags matematiska strängar som lindar sig runt förkrympta dimensioner (av totalt 10 eller 11 dimensioner osv.). Det är svårt att inse för en utomstående varför det är så populärt med en så onaturlig förklaringsmodell, men det är inte första gången i historien som en till synes ”onaturlig” teori har visat sig vara riktig (och till slut naturlig, t.ex kvantteorin).

Ett slags partiklar kallade Higgs partiklar finns hypotetisk, men är inte ännu experimentellt bekräftade. Om de finns har de stor teoretisk betydelse genom att de ger en förklaring till massorna av de andra partiklarna, vilket annars saknar bra förklaring. Det finns i vilket fall som helst inga stora mängder av Higgs partiklar i universum, utan deras verkning skulle vara genom ett överallt närvarande fält, kallad Higgs fält, som bromsar allting och får energin att bli trög och bilda massa. Detta fält syns inte på annat sätt, menar man. Teorin säger att om fältet finns så finns också fältpartiklarna, även om de är sällsynta och svåra att få fram experimentellt. Därför letar man dem, och hittar man en sådan partikel har man bevisat att teorin stämmer och fältet finns.


Svaga bosoner blir massiva: en liten bråkdels (10-10 ) sekund till

Fältpartiklarna, bosonerna, har från början ingen ”vilomassa”. De kan inte stå still eller röra sig långsammare än en bestämd gränshastiget som är inbyggd i rum-tidens konstruktion. Denna hastighet är den största som enligt relativitetsteorin kan nås, och eftersom också ljusets fotoner alltid rör sig med denna hastighet kallas den sedan gammalt för ”ljusets hastighet”. Nu när universum ytterligare lite expanderat och kylts ner uppstår en process kallad ”Higgs process”, som gör att vissa partiklar blir massiva, de börjar känna av Higgs fält. Det gäller nu de svaga bosonerna som börjar känna av Higgs fältet, samt Higgs fältets egna bosoner som bromsar varandra. Man kan tänka det så att mycket snabba (varma) och tättpackade partiklar involveras och absorberas i andra processer innan de hinner med i den något trögare Higgs processen, och så ”hinner inte” utveckla någon vilomassa. Gluoner påverkas inte och fotoner ”slinker undan” och förblir (vilo)masslösa. Med en sorts resonans surfar de förbi Higgs fält partiklarna. Den här processen var den vetenskapshistoriskt första som började kallas för spontan symmetri brytning.

Det som händer summa summarum är att en symmetrisk situation med likadana bosoner bryts och en del börjar bromsas och blir svaga bosoner, medan andra hamnar i en resonans och förblir masslösa fotoner. Dessa två sidor av processen balanserar ut varandra, och den balansen ger en vinkel som anger hur den elektromagnetiska och svaga kraften blandas i varandra, kalland Weinberg vinkeln (ca 29 grader) och betraktas som en viktig naturkonstant. Teorin som förklarar allt detta är en av de märkligaste i sin enkelhet och skönhet, och kallas för ”Salaam-Weinberg elektrosvaga teorin”. Det är ett av de starkaste skälen att tro att Higgs fältet och dess partiklar verkligen existerar, även om man ännu inte har funnit några direkta experimentella bevis.

När de svaga bosonerna får massa blir de tröga och kraften de förmedlar blir nu just en svag kraft, som bara påverkar partiklar på mycket korta avstånd. Den märks inte som en kraft direkt, dess fältpartiklar är så tröga att de inte hinner med att förmedla mycket kraft. Den märks mest för att den kan förvandla vissa partiklar till andra i långsamma partikelprocesser, vilket gör att sammansatta partiklar kan splittras i ganska låg takt. Typisk sådan är neutronen som är sammansatt av en up-kvark och två down-kvarkar. Innanför en atomkärna har neutronen involverad i snabba processer med starka kraftens gluoner i den grad att den inte ”hinner inte med” annat, så att den i en atomkärna är stabil, men ensam blir neutronen instabil. Det tar ca 15 minuter i medel tills en down-kvark i neutronen hinner reagera med det svaga fältet och förvandlas till en up-kvark och en svag boson. Den svaga bosonen är kortlivad och spottar ut en elektron och en neutrino och försvinner. Så har neutronen (up-down-down) splittrats och blivit en proton (up-up-down) plus lite småkrafs som flyger iväg. Inne i protonen kommer den svaga kraften aldrig ikapp den starka, inte ens om man väntar hela universums ålder, och protonen är således stabil. (Man har försökt med teorier där också protonen är ytterst lite instabilt med en extremt lång medellivslängd, men man inte lyckats något vidare med dem). Nu finns dock varken neutroner eller protoner ännu i denna era, utan de dyker upp först i nästa avsnitt.


Kvarkarna och gluonerna blir bundna: univerum är nu redan en tiotusendels (10-4 ) sekund gammal

Vid en viss temperatur uppstår nu en process mellan kvarkar och gluoner som binder dem ihop beständigt (quark confinement). Från och med nu blir de så starkt bundna att energin som går åt vid separering av dem är större än energin som behövs för att bilda nya kvarkar. Således, så snart någon kvark råkar få så mycket energi att den kunde flygit iväg fritt kommer ur denna energi uppstå ett par nya kvarkar, som ”snor åt sig” energin, och den ursprungliga kvarken förblir bunden till andra kvarkar. De nya knyts ihop likväl, kvarkar uppstår alltid två och två, vilket bestäms av kvantfältteorins bevarandelagar. Kvarkarna binds ihop två och två eller tre ihop, det är de två grundläggande sätten. Det blir i första fallet partiklar kallade ”mesoner” som innehåller en kvar och en antikvark, och det andra fallet ”baryoner” där man inte kan mixa kvarkar och antikvarkar ihop.

Teorin som beskriver hur kvarkar och gluoner bildar mesoner och baryoner kallas QCD (Quantum Chromo Dynamics). Teorin har dock en del brister och man kan inte beräkna all detaljerna alldeles tillförlitligt.

Nu kan man direkt förstå varför mesonerna är så kortlivade och varför de bara uppstår vid kollisioner. Det finns ju inga antipartiklar kvar från tidigare epoker i Big Bang, alla antipartiklar måste uppstå i någon energetisk process som en partikelkollision. Dessutom vill ju gärna antipartiklar kombinera med partiklar och det sker efter ett tag. Baryonerna kan också bildas i kollisioner, särskild de väldigt tunga, men det dominernade antalet baryoner härstammar från Big Bang. Och de minskar inte, även om en del krockar med andra partiklar och förstörs. Bevarandelagarna garanterar att det uppstår nya i samma takt i samma kollisioner. De vanligaste baryonerna är nukleonerna: protonen och neutronen. Det är bara dessa två som är stabila (neutronen är bara nästan stabil men stabil nog) och kan bindas ihop ytterligare och bilda atomkörnor. Det blir sedan atomer genom att kärnan binder till sig en elektron, men det är en senare process. Nu finns bara fritt flygande protoner neutroner, och elektroner och neutriinon, plus en del flyktigare partiklar med kortare livslängder som uppstår och försvinner hela tiden. Därtill finns en massa fotoner som nästan fyller allt som finns kvar, och hindrar med sitt ständiga bombardemang atomer att bildas. Strålningen, fotonerna, dominerar i universum fortvarande.


Protoner och neutroner separeras: 1 hel sekund har gått

Universum har fortvarande varit so tät och hetta att partiklar kolliderar jämt med varandra. Därmed krockar protoner och neutroner ständigt med leptoner t.ex med elektroner, men särskilt med de lättaste som flyger fortast, neutrinon. När en neutrino träffar en kvark i en proton kan den byta ”smak”, en up-kvark kan bli en down-kvark och så en proton bli en neutron. Det är annars den svårare vägen som kräver lite mer energi än den motsatta när en neutron blir en proton. I den heta fasen som fortsätter är energin ingen bristvara och protoner och neutroner byter skepnad ständigt och så tätt att de egentligen beter sig som en och samma typ av partikel, kallad nukleon. Nu har vi kommit till en era då denna bombardemang av särskilt neutrinon minskar. Neutrinon har en mycket låg ”träffsäkerhet”, det är en extremt liten sannolikhet att de reagerar med kvarkar, men när universum var tät nog hände det tillräckligt ofta ändå. Det så pass mycket glesare mellan partiklarna att neutrinon mer eller mindre flyger fritt. (De flyger fortvarade i universum i täta sjok men träffar extremt sällan på någonting.) Nu upphör protoner förvandlas till neutroner medan neutroner fortvarande förvandlar sig till protoner. Det blir en stor överkott av protoner jämfört med neutroner. Universum är dock fortvarande för het för att atomkärnor kan bildas, utan neuroner och protoner krockas iväg ifrån varandra.


Protoner och neutroner formar atomkärnor: 100 sekunder har gått

Nu kan också protoner och neutroner börja bilda atomkärnor, och de bildar bla, a helium kärnor, och några till lätta kärnor. Tyngre kärnor kan inte bildas i detta läge, det kan man räkna sig fram till. En proton är en vätekärna och det blir överskott av protoner så mycket att ca 75 % av alla atomkärnor blir vätekärnor, och resten blir för större delen (ca 24% ) helium kärnor. Detta bestämmer universums proportioner mellan väte och helium i stort, vilket stämmer ganska exakt med astronomiska mätningar om den fria gasen i universum. Neutroner och protoner dras till varandra endast vid mycket korta avstånd (mindre än 10-13 centimeter???). Starka kraften blir nästan noll på större avstånd. Dels måste protoner och neutroner komma tillräckligt nära (universum måste vara tät nog), dels får de inte ha för stora hastigheter (universum måste vara kall nog). Detta ger ganska snäva villkor vilka måste vara uppfyllda för att helium och andra kärnor tyngre än väte skulle formas (deuterium, tritium, litium kärnor).


Materia dominerar över strålningen: 10 000 år har gått

Hittills har högenergetisk strålning dominerat, men nu har universum blivit stor nog och strålningen något svalare (dock ännu extremt het) så att den inte längre kan splittra all materia på sin väg. Hittills har den materia som funnits varit kortlivat men ändå återskapats i samma proportioner. Materian har kontinuerligt krossats av strålningen (mest fotoner i form av gammastrålning) vilket spär på strålningen ytterligare, men samtidigt har strålningen så hög energi att par-produktion av ny materia av strålning pågår samtidigt, vilket ger en balansläge där strålning dominerar över materia. Nu börjar det formas mer materia än strålningen hinner krossa. Allt mer av energin blir kvar som massa och då minskar strålningen som dräneras en del av energin. Avstånden som strålning hinner röra sig innan den krockar med materiella partiklar är dock fortvarande mycket kort, ungefär som inne i stjärnor dvs. inte mycket längre än diametern av en atomkärna (10-15 m). Detta betyder att universum inte är genomskinlig, utan är bländande och kokande som smält metall, eller snarare som solens inre. Naturlagarna (den elektriska laddningens bevarandelag) gör att det blir lika mycket positiv som negativ elektrisk laddning i universum. Det mesta av positiv laddning finns nu i protoner, och den negativa laddningen företrädesvis i form av elektroner. Elektronerna går fria och bidrar till att sprida strålning, som därför inte kan flyga fritt och ge någon bild av sin omgivning. Universum är helt ogenomskinlig trots det bändande ljuset.


Atomerna börjar formas: 300 000 år har gått

När universum är mellan 300 000 och 500 000 år (det finns olika uppskattningar beroende på beräkningsmodellen som valts) börjar elektronerna bilda sig till atomkärnor och bilda atomer. Det blir mest väte (ca 75%) och heliumatomer (ca 25%) då det är dessa kärnor som finns flest, och lite litium. Inga tyngre grundämnen kan bildas i Big-Bang processen. Det innebär att om inte stjärnorna föds, så uppstår inte de grundämnen som är nödvändiga för liv. Nu binds de allra flesta elektronerna i atomer, varvid strålningen, ljuset, kan röra sig fritt. Detta är slutet av universum som en ”eldhav” och strålningen befrias. Det är denna plötsligt befriade strålning är det man kallar för bakgrundsstrålningen. Med universums expansion förlängs dess våglängd, till slut hamnar den utanför våglängdsområdet för synligt ljus . I dag kan vi fortfarande mäta den fast den har ”svalnat” till kortvågiga radiovågor kallade mikrovågor.


Universums mörka tid: ca. 400 000 år har gått

Det finns nu ingenting som avger ljus. Bakgrundsstrålningen finns dock kvar men den falnar och svalnar med universums expansion. Den har nu svalnat till så pass att det hamnat utanför det synliga ljusets område (fast det existerar förstås ingen biologisk varelse ännu som kan se i vilket fall som helst). Atomerna har ännu inte bildat några större samlingar, än mindre några stjärnor. Man kallar denna mellanepok ibland för universums mörka tid.


De första stjärnorna bildas: en halv miljard år har gått

Strålningen har kylts ner av universums expansion och dess energi är så pass låg att den inte längre hindrar moln av väte (med är också helium men det bidrar inte till kärnprocesserna i början) samla sig till stjärnor. Det är en i början långsam process, som dock accelererar ju mer klumpar som bildas, som sedan med sin gravitation tar till sig mer vätgas. Till slut tänds de först stjärnorna: trycket inne i ett sammanpressat moln av vätegas blir så hög att temperaturen stiger till miljoner grader, över tändningspunkten till kärnreaktioner, den är fusion av vätekärnor vi talar om, som får stjärnan att lysa. Det blir åter ljust i universum.


Stjärnorna börjar producera tyngre grundämnen, ca 2 miljarder år har gått

I fusionsprocess bildas först helium, sedan vidare tyngre ämnen, som beryllium, kol osv. enda till järn. Tyngre grundämnen än så kan inte bildas av kärnfusion, utan de tyngsta grundämnena bildas i efterhand när kärnbränslet i stjärnan är slut, och den kollapsar under sin tyngd. Vid denna kollaps frigörs enorma energimängder som får stjärnans yttre delar att explodera som en supernova. Denna enorma explosion slår ihop atomkärnor slumpmässigt så att en mindre mängd tyngre kärnor bildas av lättare. Jag säger mindre mängd, då i hela universum är ca 75 procent av atomer väte, 24 procent är helium, och alla andra grundämnen tillsammans bildar bara den sista procenten. Denna process fortsätter inne i stjärnorna, och i de ganska sällsynta supernovaexplosionerna, än i dag.


Solen och Jorden bildas: 9 miljarder år har gått

En stjärnas livslängd rör sig från några miljoner år till ett tiotal miljarder år. De tyngsta stjärnorna, de med mest kärnbränsle, har kortast livslängd. Det låter bakvänt, men den stora tyngden gör att hettan blir så mycket högre och kärnprocesserna sker mycket fortare. De starkaste stjärnorna lyser miljontals gånger starkare än de svagaste. De första stjärnorna var större än stjärnorna i dag, det hänger ihop med kärnprocesserna. I början fanns inte tyngre grundämnen är helium i den gas som bildade stjärnor. Tyngre atomkärnor i blandningen fungerar som katalysatorer så att processen börjar vid lägre temperatur, innan stjärnan har hunnit bli riktigt så stor. Hur stor stjärnan blir beror på hur stor molnet som bildar den är och snabbt den drar sig ihop. Den är i början flera ljusår stor, och ofta bildas fler än en stjärna av en och samma moln. När sedan stjärnan har tänts blåser dess strålningstryck iväg den lätta gasen omkring så att inget mer kommer in. Stjärnan är färdigbildad. Efter några miljoner eller miljarder år när stjärnan slocknar och eventuellt exploderat (bara de lite större exploderar) sprids stoftet från dem runt och blir igen gasmoln. Sedan bildas nya stjärnor av detta blandade stjärnstoft. Vår sol är en andra eller tredje generationens stjärna, räknat på så sätt.


Nutid: 13,8 miljarder år har gått

Vi har nu en ganska stabilt expanderade universum, där det finns stjärnor som bildar galaxer, som bildar galaxhopar, och det finns även superhopar av galaxhopar. Det hela är ofantligt och nästan ofattbart stort. Vi kan fortfarande mäta bakgrundsålningen som bildades 400 000 efter Big Bang, 13,3 miljarder år sedan. Denna svala (nu bara 2.7 garder ovan absolut nollpunkt), strålning kommer från alla håll och ger oss information om Universums ungdom. Stora teleskop visar att det finns ofantliga mängder av främmande galaxer, och dessa synes fly ifrån varandra när Universum expanderar. De flesta av stjärnorna som man kan se, även med teleskop, tillhör bara en liten del av vår galax, Vintergatan. Stjärnorna i Solens storlek och mindre syns inte för blotta ögat från så stora avstånd som det är mellan stjärnor, de vi ser är alla jättar i jämförelse med Solen. Man har funnit att Solen är en ganska medelmåttlig stjärna, något lite över medelmått. Det finns mängder av stjärnor som liknar Solen, och på senare tid har man funnit att många stjärnor har planeter. Dessa kallas numera ”exoplaneter”, ordet avser planeter runt andra stjärnor än Solen. Hundratals av sådana exoplaneter har man redan funnit, och ändå har man bara letat i några få år. Tidigare trodde man inte att det lönade sig leta, men metoderna att leta dem har förfinats, och numera anser astronomerna att nästan alla stjärnor har planeter. Det är därför troligt att förhållanden lämpliga för liv att utvecklas finns och har länge funnits även på planeter runt andra stjärnor.



Efterskrift

Epokerna ovan är enligt dagens kunskap (år 2013). Vi vet ingalunda ännu allting om hur universum bildas, om vi någonsin får veta det. På senare tid har man till exempel kommit fram till att större delen av all materia som finns i universum möjligen, till och med troligen anser många, är av något annat slag än de partiklar och atomer som diskuteras ovan. I dag vet ingen vad det är för slags materia.