RYSUNEK 3 (b) Wraz z postępującą ekspansją Wszechświat się ochładza. Średnia temperatura definiuje i wyznacza granice szeregu „er”, kojarzonych ze zmieniającą się naturą sił i cząstek. Zauważ, że obie skale – czasu i temperatury – są logarytmiczne, przyrastają o całe rzędy wielkości. Tym samym większe znaczenie mają wcześniejsze etapy ewolucji Wszechświata.

      Średnia temperatura Wszechświata ma fundamentalne znaczenie, determinuje bowiem, jakie mogą w nim istnieć ciała materialne i jakie mogą w nim działać siły. Tak więc średnia temperatura wykorzystywana jest do definiowania i wyznaczania granic szeregu „er”, począwszy od samego Wielkiego Wybuchu, przez ewolucję działających sił i ewolucję dokonującą się w zakresie cząstek elementarnych, jąder atomowych, atomów, gwiazd i galaktyk.

      Ery te klasyfikowane są zgodnie z dominującym elementem, który kształtował wówczas fizykę Wszechświata. Kilka pierwszych er zdominowanych było przez siły. Następne epoki to już dominacja cząstek materii, poczynając od kwarków, a kończąc na fotonach. W pierwszych trzech rozdziałach spróbuję opowiedzieć historię ewolucji od początku Wszechświata do końca ery fotonowej.

      ERA PLANCKA: OD CHWILI „ZERO” DO 10–43 SEKUNDY

      Wyjaśniłem już, dlaczego nie jest możliwe, aby nauka dostarczyła pełnego opisu Wielkiego Wybuchu w jego najwcześniejszych fazach. Jeśli wykorzystując ogólną teorię względności, spróbujemy ekstrapolować wstecz, to otrzymamy osobliwość, w której warunki charakteryzowane są przez raczej nieprzyjazny wysyp matematycznych nieskończoności. Oznacza to, że usiłujemy wyciągać wnioski z teorii za daleko poza granicami jej stosowalności. Teoria zwyczajnie sobie nie radzi. Powinniśmy móc to naprawić dzięki włączeniu do teorii względności teorii kwantowej, ale, jak dotąd, nie udało się tego skutecznie zrobić.

      Jak nam się jednak wydaje, co wtedy mogło się zdarzyć? Pamiętajmy, że Wielki Wybuch zwiastuje początek przestrzeni, czasu i energii, które łącznie są wszystkim, co istnieje, przynajmniej w naszym Wszechświecie. Nie dysponujemy teorią, którą moglibyśmy zastosować do chwili Wielkiego Wybuchu, ale może dałoby się przynajmniej postawić jakieś hipotezy na temat tego, co mogło się zdarzyć krótko po nim, choćby na podstawie ekstrapolacji wstecz, gdy za punkt wyjścia przyjmie się obserwowane dzisiaj własności Wszechświata?

      Często zdarza mi się kupować lód w lokalnym sklepie. Kostki pakowane są w plastikowe torby po kilka kilogramów. W środku kostki są mniej więcej tych samych rozmiarów, mają jednak tendencję do zbijania się w większe bryły, które czasami trudno rozbić bez użycia szpikulca do lodu. Załóżmy, że wrzucę zawartość takiej torby do dużego rondla. Utworzy się nieregularna sterta kostek lodu, która nie jest szczególnie jednolita ani symetryczna. W różnych kierunkach wygląda inaczej – tu są mniejsze grudki, tam większe. Taka niejednorodność utrzymuje się również na mikroskopowym poziomie układu cząstek wody wchodzących w skład kostek lodu. Cząsteczki tworzą sieć, która wygląda różnie w różnych kierunkach. Istnieją różnice między kierunkami góra–dół, prawo–lewo, przód–tył.

      Co się stanie, jeśli umieścimy rondel na płycie kuchenki i dostarczymy trochę ciepła?

      Odpowiedź jest łatwa. Kostki i bryły o różnych kształtach zaczną topnieć. Bardzo szybko otrzymamy w rondlu znacznie bardziej jednolitą (a także bardziej symetryczną i jednorodną) wodę w stanie ciekłym. Na poziomie mikroskopowym krystaliczna sieć zostaje zastąpiona cząsteczkami wody, które mogą się poruszać, ale oddziałują ze sobą na niewielkich odległościach. Teraz, porównując różne kierunki, znacznie trudniej dostrzec jakiekolwiek różnice.

      Następnie nakrywamy rondel przykrywką tak szczelną, że nic z wnętrza nie może uciec. Jeśli będziemy kontynuować podgrzewanie zawartości, ciecz osiągnie temperaturę wrzenia i w całości zamieni się w gaz. Otrzymamy w rondlu jeszcze bardziej jednolity (i symetryczny) rozkład pary wodnej (wody w stanie lotnym). Na poziomie mikroskopowym pojedyncze cząsteczki wody swobodnie przemieszczają się, zderzają się ze sobą, nie istnieje spajające je oddziaływanie na niewielkich odległościach. Porównując różne kierunki, góra–dół, prawo–lewo, przód–tył, w ogóle nie dostrzeżemy różnic. Gaz we wszystkich kierunkach wygląda jednakowo.

      Wyobrażamy sobie, że sytuacja ta nie odbiega dużo od tej, w jakiej znalazłyby się grudki Wszechświata, gdybyśmy podgrzali je do temperatur, jakie panowały krótko po Wielkim Wybuchu.

      Spodziewamy się, że wraz z rosnącą jednorodnością i symetrycznością znikłaby wielka różnorodność cząstek i sił, które kształtują nasz Wszechświat. Dzisiaj doświadczamy działania czterech sił natury. Spotkaliśmy już grawitację, która działa na obiekty w dużej skali, takie jak szklanki, książki, planety i gwiazdy. Pozostałe trzy siły działają w skali mikroskopowej, kształtując świat cząsteczek, atomów i cząstek elementarnych.

Wyróżniamy dwa rodzaje cząstek elementarnych, kwarki i leptony. Kwarki charakteryzowane są przez trzy różne rodzaje właściwości: ładunek elektryczny, kolor i zapach16. Oddziaływanie silne związane jest z kolorem kwarków i zachodzi pomiędzy kwarkami przez wymianę bezmasowych cząstek nazywanych gluonami. Oddziaływanie słabe związane jest z zapachami kwarków i najpo­wszechniej manifestuje się w formie rodzaju promieniotwórczości nazywanego promieniowaniem beta. Jest ono przenoszone przez „ciężkie fotony”, nazywane cząstkami W i Z, które występują w trzech rodzajach: W+, W– oraz Z0. Kwarki o różnych kolorach i zapachach łączą się, aby utworzyć lepiej znane protony i neutrony, o których niegdyś myślano, że są cząstkami elementarnymi.

      Czwarta siła, elektromagnetyzm, powinna być dość znajoma – występuje ona pomiędzy cząstkami obdarzonymi ładunkiem elektrycznym, takimi jak protony i elektrony, a przenoszona jest przez fotony, cząstki tworzące zwykłe światło. To siła, którą odczuwasz, gdy próbujesz połączyć ze sobą dwa magnesy sztabkowe, kierując je ku sobie biegunami północnymi. To również siła, za której działanie słono płacisz, gdy dostajesz rachunek za energię elektryczną.

      Niektórzy fizycy wierzą, że wystarczyłoby ogrzać cząstki do odpowiednio wysokiej temperatury, a wszystkie różnice ulegną zatarciu i dostaniemy jedną „waniliową” cząstkę i jedną jedyną pierwotną siłę, gdyż oddziaływania elektromagnetyczne, słabe, silne i na koniec również grawitacyjne ostatecznie „stopią się” w jedną całość.