Πώς δημιουργήθηκε όλη η ύλη στο σύμπαν;

Συχνές ερωτήσεις, Μάρτιος 2008

Λέγεται, και σωστά, ότι η κοσμολογία είναι ο κλάδος της φυσικής που υποβάλλει τις μεγαλύτερες ερωτήσεις. Τελικά, λίγες ερωτήσεις μέσα στην επιστήμη μπορούν να έχουν τον αντίκτυπο αυτής: Άραγε όλη αυτή η ύλη που βλέπουμε υπήρχε αρχικά στο κέντρο του Big Bang ή είναι ύλη που συνεχώς δημιουργείται; Και σε αυτή την περίπτωση, πώς φτιάχνεται;

Ή με άλλα λόγια: Γιατί το σύμπαν είναι γεμάτο από κανονική ύλη και πώς φθάσαμε εδώ; Ξέρουμε ότι η ακτινοβολία που τότε πλημμύριζε το αρχέγονο σύμπαν είχε τόση ενέργεια, που σχημάτιζε με το φαινόμενο της δίδυμης γέννησης σωματίδια ύλης και αντιύλης, γιατί λοιπόν σήμερα βλέπουμε μόνο αυτό που ονομάζουμε ύλη κι όχι η αντιύλη; Γιατί ο Κόσμος φτιάχνεται αποκλειστικά από πρωτόνια, νετρόνια, και ηλεκτρόνια κι όχι από αντιπρωτόνια, αντινετρόνια και ποζιστρόνια;

Το καθιερωμένο μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής δέχεται ότι δεν υπήρχε ύλη εξ αρχής στο Big Bang. Αλλά στις πρώτες στιγμές δημιουργήθηκαν ίσες ποσότητες ύλης και αντιύλης. Με κάποιο όμως μηχανισμό επικράτησε η ύλη (βαρυογένεση).

Ας τον δούμε λοιπόν.

Οι τρεις συνθήκες του Sakharov

Τι όμως βοήθησε στην κυριαρχία της ύλης; Τρία γεγονότα, γνωστά ως συνθήκες Sakharov. Το 1968, ο Andrei Sakharov, γνωστός ως πατέρας της σοβιετικής πυρηνικής βόμβας, πρότεινε μια συνταγή με τρεις συνθήκες για να πάρουμε περισσότερη ύλη απ' όσο αντιύλη σε ένα σύμπαν που διαστέλλεται κατά τη διάρκεια των πρώτων σταδίων της εξέλιξης του Κόσμου: 

1η συνθήκη: Απαιτείται μια αλληλεπίδραση που να παραβιάζει τη διατήρηση του βαρυονικού αριθμού, που σημαίνει ότι έτσι θα φτιαχτούν περισσότερα πρωτόνια από αντιπρωτόνια ή νετρόνια από αντινετρόνια. Στις χαμηλές ενέργειες, ο βαρυονικός αριθμός των σωματιδίων που συμμετέχουν σε συγκρούσεις διατηρείται: ακριβώς όπως το φορτίο έτσι και ο συνολικός βαρυονικός αριθμός πριν από μια αλληλεπίδραση είναι ίσος με το άθροισμα των βαρυονικών αριθμών μετά. Εντούτοις, σύμφωνα με την απαίτηση του Sakharov στις πολύ υψηλές ενέργειες οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των στοιχειωδών σωματιδίων δεν πρέπει να διατηρούν τον αριθμό των βαρυονίων. Δηλαδή στις υψηλές ενέργειες και τα βαρυόνια και τα αντι-βαρυόνια μπορούν να δημιουργηθούν από "άλλα" σωματίδια. Αυτές οι υψηλές ενέργειες υπήρχαν φυσικά στον καυτό φούρνο του πρώιμου σύμπαντος.

2η συνθήκη: Μόλις οι υψηλές ενέργειες του πρώιμου Κόσμου επιτρέψουν τη δημιουργία σε ίσο αριθμό βαρυονίων και αντι-βαρυονίων, χρειαζόμαστε μια συνθήκη που να διαφοροποιεί σε αριθμό τη δημιουργία των βαρυονίων ως προς τα αντιβαρυόνια, ένα βέλος που να δείχνει προς τη σωστή κατεύθυνση, δηλαδή προς την ύλη. Το 1964, ο J.H. Christenson βρήκε από πειράματα αποδείξεις ότι οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ ορισμένων βαρυονίων πράγματι εμφανίζουν αυτήν την κατεύθυνση. Είναι ως εάν η φύση να έχει τις προκαταλήψεις της, σε αυτήν την περίπτωση προς την παραγωγή περισσοτέρων βαρυονίων.

Ουσιαστικά χρειαζόμαστε μια παραβίαση της συμμετρίας CP, ώστε τα σωματίδια και αντισωματίδια να διασπαστούν στα διάφορα προϊόντα τους αλλά με διαφορετικούς ρυθμούς.

3η συνθήκη: Μία από τις ιδιότητες των πολύ καυτών συστημάτων είναι ότι δεν έχουν καμία μνήμη του παρελθόντος τους. Ένας άλλος όρος για αυτήν την απώλεια μνήμης είναι η θερμική ισορροπία. Εάν ο πρώιμος Κόσμος ήταν σε θερμική ισορροπία, οποιοσδήποτε παραπανίσιος αριθμός βαρυονίων θα είχε διαγραφεί. Στην ισορροπία, ο καθαρός βαρυονικός αριθμός είναι μηδέν. Προκειμένου να διατηρηθεί η αύξηση του αριθμού των βαρυονίων καθώς το σύμπαν ψύχθηκε, έπρεπε ο Κόσμος "να μην χάνει τη μνήμη του" και να μην διαγράφει τα νέα βαρυόνια.

Επομένως, χρειαζόμαστε μια τρίτη συνθήκη: Μια κατάσταση μακριά από τη θερμική ισορροπία.

Προκειμένου να "παγώσει" ο καθαρός αριθμός των βαρυονίων που παρήχθησαν από τις πρώτες δύο συνθήκες, ο πρώιμος Κόσμος δεν θα έπρεπε να ήταν πάντα σε θερμική ισορροπία. Υπάρχουν πολλά συστήματα που είναι μακριά από τη θερμική ισορροπία στην καθημερινή ζωή μας. Ένα παράδειγμα είναι η συμπύκνωση του ατμού σε ένα δοχείο μόλις αυτό βυθιστεί στο ψυχρό νερό. Ο ατμός είναι μακριά από την κατάσταση της θερμικής ισορροπίας και προκειμένου να επιτευχθεί η ισορροπία θα περάσει από μια μετάβαση φάσης: Ο ατμός θα ψυχθεί και θα συμπυκνωθεί πηγαίνοντας από την αέρια φάση στην υγρή φάση. Η μετάβαση φάσης τελειώνει όταν μετατρέπεται εντελώς ο ατμός σε υγρό νερό.

Πώς όμως δένει αυτός ο συλλογισμός με το πρώιμο σύμπαν; Το σύμπαν πέρασε στα πρώτα του στάδια επίσης από διάφορες μεταβάσεις φάσης. Τα σωματίδια και οι ιδιότητες τους είναι επίσης ευαίσθητα στη θερμοκρασία. Το καθιερωμένο μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής περιγράφει με επιτυχία πώς αλληλεπιδρούν τα σωματίδια σε ενέργειες πάνω από χίλιες φορές μεγαλύτερες από τις πυρηνικές ενέργειες. Σύμφωνα με αυτό το μοντέλο, σε πολύ υψηλή θερμοκρασία όλα τα σωματίδια, εκτός από ένα το σωματίδιο Higgs, δεν έχει μάζα, ενώ στις χαμηλές θερμοκρασίες τα σωματίδια αποκτούν μάζα μέσω των αλληλεπιδράσεων τους με το σωματίδιο Higgs. Λέμε ότι η ύλη έχει δύο διαφορετικές "φάσεις," πάνω και κάτω από τη θερμοκρασία στην οποία τα σωματίδια (όπως τα κουάρκ και τα ηλεκτρόνια) αποκτούν μάζα.

Κατά συνέπεια, μόλις η θερμοκρασία του πρώιμου σύμπαντος έπεσε, το σύμπαν πέρασε από μια μετάβαση φάσης, και τα σωματίδια απέκτησαν τη μάζα τους. Όπως συνυπάρχουν σταγονίδια του νερού μέσα στον ατμό, έτσι και 'σταγονίδια' χαμηλής θερμοκρασίας (με μάζα) εμφανίστηκαν μέσα στην φάση της υψηλής θερμοκρασίας (χωρίς μάζα), αυξανόμενα και συγχωνευόμενα σε μια τυπική μετάβαση φάσης μακριά από την ισορροπία.

Επειδή μόνο στην φάση της υψηλής θερμοκρασίας δημιουργούνται βαρυόνια σε μεγαλύτερο αριθμό από τα αντιβαρυόνια (θυμηθείτε ότι οι πρώτες δύο συνθήκες εφαρμόζονται μόνο στις υψηλές θερμοκρασίες), αυτά τα παραπάνω βαρυόνια θα διατρυπήσουν τα 'σταγονίδια' της φάσης της μάζας, σαν τους ιούς που εισβάλλουν στα κύτταρα, αποκτώντας τον καθαρό βαρυονικό αριθμό στη φάση της χαμηλής θερμοκρασίας. Καθώς δε τα 'σταγονίδια' αυξάνονται και συγχωνεύονται, ολόκληρος ο Κόσμος μετατρέπεται στην φάση της μάζας, ολοκληρώνοντας τη μετάβαση φάσης. Σύμφωνα με τα τρέχοντα μοντέλα βαρυογέννησης, η δημιουργία των παραπάνω βαρυονίων εμφανίστηκε όταν το σύμπαν είχε, περίπου, ηλικία ένα χιλιοστό του δισεκατομμυριοστού του ενός δευτερολέπτου (10^-12 δευτ.). Τα πρωτόνια και τα νετρόνια από τα οποία αποτελούμαστε είναι τα απολιθώματα αυτού του αρχέγονου γεγονότος.

Ένα παράδειγμα δημιουργίας περισσότερης ύλης

Υποθέστε ότι σε κάποια αρκετά υψηλή ενέργεια, υπάρχουν υπέρβαρα σωματίδια, έστω τα μποζόνια Χ. Το σωματίδιο Χ έστω ότι έχει φορτίο + 4/3, και υπάρχει το αντι-Χ με φορτίο -4/3. Όταν το σύμπαν είναι πολύ καυτό, μπορεί να είναι σταθερό και φτιάχνονται ίσες ποσότητες σωματιδίων Χ και αντι-Χ. Όμως τώρα τα σωματίδια Χ και αντι-Χ δεν είναι σταθερά, και διασπώνται (οι διασπάσεις συμβαίνουν όταν το σύμπαν ψύχθηκε και έγινε ασταθής - που είναι η 3η συνθήκη Sakharov).

Ας υποθέσουμε ότι το σωματίδιο Χ  διασπάται και φτιάχνει ένα ποζιτρόνιο και ένα αντι-κουάρκ down (το 1/3 ενός αντι-βαρυονίου) (πάνω εικόνα). Ή μπορεί να διασπάται σε δύο κουάρκ up (τα 2/3 ενός βαρυονίου).

Επίσης, ότι τα αντι-Χ σωματίδια διασπώνται σε ηλεκτρόνια και ένα κουάρκ down (το 1/3 ενός βαρυονίου), ή σε δύο αντι-κουάρκ up (2/3 ενός αντι-βαρυονίου).

Αλλά τι θα γίνει εάν το Χ διασπαστεί σε ποζιτρόνια και αντι-κουάρκ down κατά 49% και σε δύο κουάρκ up κατά 51%, ενώ το αντι-Χ διασπάται σε ηλεκτρόνια και κουάρκ down κατά 51% και σε δύο αντι-κουάρκ up 49%;

Οι φυσικοί λένε ότι παραβιάζεται η συμμετρία CP (2η συνθήκη).

Αν τα βάλουμε όλα μαζί θα δούμε τα εξής: Όταν θα συναντηθούν σωματίδια και αντισωματίδια (πχ ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια, down και αντι-down, up και αντι-up) θα εξαϋλωθούν φυσικά.

Αλλά επειδή τα αρχικά ποσοστά δεν είναι ίσα (51% - 49%), θα περισσέψουν ηλεκτρόνια, κουάρκ down και κουάρκ up (κατά 2%) που θα φτιάξουν μετά τη συνηθισμένη κανονική ύλη! Και έτσι ικανοποιούνται και οι τρεις συνθήκες Sakharov.

Αρχίσαμε λοιπόν από ίσες ποσότητες ύλης (σωματίδια Χ) και αντιύλης (αντισωματίδια Χ) και καταλήξαμε στην εμφάνιση μόνο της κανονικής ύλης.

Οι υπολογισμοί των φυσικών δείχνουν ότι για κάθε 1 δισεκατομμύριο αρχικά κουάρκ μόνο 1 κουάρκ δεν κατάφερε να βρει το αντι-κουάρκ του μετά την εποχή GUT, κι έτσι παρέμεινε για να πάρει μέρος στο σχηματισμό των πρωτονίων και νετρονίων της ύλης του σύμπαντος.

Χρωστάμε λοιπόν την ύπαρξη μας στην παρουσία μιας ελάχιστης διαταραχής της ισορροπίας των νόμων της φυσικής, προς την κατεύθυνση της προτίμησης της ύλης αντί της αντι-ύλης, στην αποσύνθεση των μποζονίων Χ. Μια αμελητέα διαταραχή που όμως αντιστοιχεί στο 1 δεκάκις εκατομμυριοστό τοις εκατό του συνόλου της ύλης που υπήρχε τότε με τη μορφή σωματιδίων Χ και αντι-Χ στο σύμπαν στην εποχή GUT (Εποχή της Μεγάλης Ενοποίησης όπου όλες οι δυνάμεις ήταν ενωμένες).

Ας σημειωθεί ότι ο αριθμός 1 δισεκατομμύριο δεν είναι τυχαίος. Είναι ο λόγος των φωτονίων προς τα βαρυόνια στο σημερινό σύμπαν και υπολογίστηκε από την πυκνότητα της ύλης και την ένταση της κοσμικής ακτινοβολίας στην Κοσμική Ακτινοβολία Υποβάθρου.

Βέβαια, δεν είμαστε σίγουροι 100% ότι έτσι συμβαίνουν τα πράγματα, ούτε ότι ισχύει βεβαιωμένα κάποια από αυτές τις συνθήκες. Αλλά τώρα μπορούμε να πούμε ότι υπάρχουν φυσικές διαδικασίες για να φτιαχτεί περισσότερη ύλη από αντιύλη στον Κόσμο.

Και φυσικά δεν δημιουργείται σήμερα νέα ύλη, ούτε είναι σωστό να υποθέσει κάποιος ότι η ύλη ήταν φτιαγμένη στον χρόνο μηδέν του Big Bang, αλλά όπως φαίνεται δημιουργήθηκε αμέσως μετά από το Big Bang.

Πηγές: Το σύμπαν του Stephen Hawking, Wikipedia