1.4. Od velikog praska do današnjeg svemira

Mira Terzić; Tatjana Ivošević; Mladen Franko; Dragana Milićević

1. ZEMLJA I NJENO POREKLO

1.4. Od velikog praska do današnjeg svemira

„Čovek je deo celine koju zovemo svemir,

deo ograničen u prostoru i vremenu.“

Albert Ajnštajn (Albert Einstein)

Svemir je sve što možete opaziti, otkriti, dodirnuti, osetiti ili meriti. To uključuje živa bića, planete, zvezde, galaksije, oblake prašine, svetlost, pa čak i vreme. Jednom davno nije bilo ničega. A onda,

pre oko 13.8 milijardi godina rođen je svemir.

To je bio početak vremena, prostora i sve materije u svemiru.

Od Velikog praska do planete Zemlje
_{Nicolas Eynaud/Wikimedia Commons (CC BY-SA 4.0 DEED), NASA Deep Space Climate Observatory/Wikimedia Commons (Public Domain)}

U vremenu od jedne sekunde dolazi do stvaranja prostora i vremena, nastaju prirodne sile i elementarne čestice, protoni i elektroni. Zatim slede duži vremenski periodi u kojima se dešavaju nuklearni procesi, stvaraju se jonizovani gasovi, nastaju zvezde i galaksije, naša planeta Zemlja… Nastaje svemir u kome mi živimo i koji je još uvek jedna velika nepoznanica za sve nas. Od samog početka veličina svemira se menjala, svemir se širio, tako da niko ne zna koliko je zapravo veliki svemir. Jednostavno ne možemo videti njegov kraj.

Zahvaljujući teoriji relativnosti može se naslutiti okvirni scenario po kome je došlo do stvaranja svemira, pa i planete Zemlje na kojoj živimo. Nauka koja se bavi proučavanjem svemira kao celine, njegovog nastanka, razvoja do danas i mogućih dešavanja u budućnosti naziva se kosmologija.

Koja je opšte prihvaćena teorija o postanku svemira?

Nastanak svemira opisuju mnoge teorije, ali opšte prihvaćena je teorija Velikog praska (engl. Big Bang Theory). Veliki prasak nije bio eksplozija u prostoru, kao što stoji u samom imenu teorije, već je to pojava prostora svuda u svemiru. Razlog se nalazi u činjenici da za nju postoje obimni i ubedljivi naučni dokazi. Jedan od njih je i stalno širenje svemira.

Šta je bilo pre nego što je nastao svemir?

Apsolutno nije bilo ničega. Nije bilo vremena, pošto vreme kao takvo ne postoji.

Veliki prasak: Kako se rađao svemir?

Od velikog praska do danas
_{NAOJ/Wikipedia Commons (CC BY 4.0 DEED)}

0 s

Prema opštoj teoriji relativnosti, u najranijem trenutku vremena prostor je beskonačno mali, gustina beskonačno velika, a sve četiri prirodne sile bile su ujedinjene u jednu jedinu silu. Postojao je samo singularitet.

O ovom periodu naučnici praktično nemaju nikakvih saznanja. Tek kada se sa uspehom napravi kvantna teorija gravitacije, tada će biti moguće doći do objašnjenja za ovaj period u evoluciji kosmosa.

Znate li što je singularitet?

Singularitet je tačka beskonačne mase, beskonačne gustine ili beskonačne energije.

Na pitanje šta je bilo pre velikog praska, Stiven Hoking (Stiven Hawking) jednom je odgovorio:

„Nema ništa južnije od Južnog pola, tako nema ništa pre Velikog praska.“

Da li je to bila eksplozija negde u središtu svemira?

Ne, to nije bila eksplozija negde u središtu zbog koje se materija počela širiti. Bila je to eksplozija samog svemira u kojoj su nastali vreme i prostor. Prema tome:

Svemir nema središte!

10^-43s

nakon

Velikog

praska

U veoma kratkom vremenu (10^-43 s) počinje stvaranje svemira. Ovaj početni period svemira naziva se Plankova era ili era kvantne gravitacije.

Fizika danas može da objasni samo događaje nakon 10^-43 s.

Sve četiri osnovne sile prirode su ujedinjene. Ipak,na samom kraju Plankove ere izdvojila se sila gravitacije, dok ostale tri sile ostaju i dalje ujedinjene.

Nakon eksplozije, temperatura svemira je bila velika. Pretpostavlja se da je temperatura bila 10³² K.

Ilustracija četiri osnovne sile prirode: gravitaciona (G), jaka nuklearna (J), elektromagetna (EM) i slaba nuklearna sila (S)

Pogledajte brojeve koje smo napisali gore (10³², 10^-43). Više o tome kako se još mogu napisati saznajte na kraju ovog poglavlja.

Period

između

10^-43 s

i

10^-36 s

nakon

Velikog

praska

Epoha velikog ujedinjenja nastavlja se na Plankovu eru. Dolazi do razdvajanja ujedinjenih triju sila (jake nuklearne sile, slabe nuklearne sile i elektromagnetne sila) na dve sile: na jake nuklearne sile i na elekroslabe sile (elektromagnetna i slaba nuklearna sila su kombinovane).

Kasnije (10^-12s nakon Velikog praska) dolazi do razdvajanja elektroslabe sile na elektromagnetnu i slabu nuklearnu silu. Od tada u svemiru postoje četiri fundamentalne sile (G, J, EM i S).

Ilustracija vremena i temperature nakon Velikog praska, kad je došlo do razdvajanja četiri fundamentalne sile: redom gravitaciona (G), jaka nuklearna (J), elektromagetna (EM) i slaba nuklearna sila (S).
_{Prilagođeno od OpenStax (CC BY 4.0)}

Sve do sada poznate interakcije u materijalnom svetu mogu da se opišu preko delovanja ove četiri sile. Na veoma visokim temperaturama (većim od 10¹⁵K) ne mogu da se razlikuju elektromagnetna i slaba nuklearna sila, ali se tu uklapa i jaka nuklearna sila.

Nešto više o fundamentalnim silama saznajte u poglavlju 1.8.

Period

između

10^-36 s

i

10^-32 s

nakon

Velikog

praska

Kada je svemir bio veoma mlad, prošao je kroz fazu ogromnog širenja, a time je i temperatura počela naglo da opada. Ovaj period je poznat pod imenom era inflacije. Ona je započela kada je svemir bio star 10^-36s , a već se završila kada je starost svemira bila 10^-32s. Da bi imali predstavu koliko je to povećanje, zamislimo da je svemir pre inflacije bio veoma, veoma mali, poput zrnca soli, a veoma je brzo narastao na veličinu fudbalske lopte.

Nakon ere inflacije, svemir nastavlja da se širi, ali znatno sporije. Međutim, nikada nije prestao da se širi i to traje sve do danas.

U ovom periodu u svemiru postoji smeša od elementarnih čestica, njihovih antičestica i energije (fotoni). Čestice i antičestice se neprekidno stvaraju iz energije i ponovo poništavaju, pretvarajući se u energiju, u skladu sa Ajnštajnovom jednačinom ( $E=m^.c^2$ ).

Ilustracija anihilacije pozitrona (e+) i elektrona (e-)
_{ComaCloud (Ersteller), HellTchi (Anpasser)/Wikimedia Comons (CC BY-SA 3.0 DEED)}

Čestice antimaterije i materije ne mogu da postoje jedna pored druge. Kada dođu u međusobni kontakt (npr. pri sudaru), one se međusobno poništavaju (anihiliraju) i tako stvaraju energiju u formi svetlosti (fotona). U prirodi se pretvaranje energije u materiju dogodilo pri nastanku svemira. Sva materija i antimaterija koje danas postoje u svemiru rođene su iz energije nastale neposredno nakon Velikog praska. Da je u svemiru bio isti broj čestica antimaterije i materije koje su ravnomerno raspoređene, došlo bi do njihovog poništavanja. Tada bi svemir izgledao mnogo drugačije nego što je danas.

Šta se dešava da svemir ipak izgleda ovako danas?

Narušava se simetrija.

Kako?

Pojavljuje se milijardu i jedna čestica na milijardu antičestica. Zahvaljujući višku materije, svemir se razvijao i postao onakav kakvog ga poznajemo.

1 s

nakon

Velikog

praska

Nakon ere inflacije svemir nastavlja da se širi, ali sporije. Svemir nikada nije prestajao da se širi, te širenje i dan danas traje. Širenjem svemir postaje manje gust i hladi se.

Nakon 1s posle Velikog praska u svemiru postoji mešavina najosnovnijih čestica, antičestica i fotona. Slobodni elektroni se neprekidno sudaraju sa fotonima. Počinju da nastaju jezgra vodonika (protoni). Svetlost se ne širi, pa je svemir i dalje u mraku. NIŠTA SE NE VIDI!

Prilagođeno od C.H. Lineweaver and A. Chopra (CC BY 4.0)

Prva

3 minuta

nakon

Velikog

praska

Svemir se širi i hladi, a energije neophodna za spontano stvaranje čestica opada. Došao je period kada energija više nije bila dovoljna za stvaranje čestica i antičestica.

U prve tri minute od početka velikog praska dogodila se nukleosinteza, proces poznat pod imenom prvobitna nukleosinteza (ili nukleosinteza velikog praska). Formiraju se jezgra vodonika (¹H), deuterijuma (D), izotopi helijuma (³He i ⁴He) i izotop litijuma (⁷Li).

Proces prvobitne nukleosinteze je zaustavljen usled pada temperature, usled širenja i hlađenja, te se nuklearna fuzija nije više mogla nastaviti.

Svemir je suviše topao, gust i bogat elektronima koji zarobljavaju fotone. Proći će mnogo godina dok elektroni neće biti „uhvaćeni“ u orbite oko jezgra tako da formiraju atome i fotoni će postati slobodni.

Elektroni još nisu „uhvaćeni“ u orbite. Svemir je neproziran

Svemir je suviše topao, gust i bogat elektronima koji zarobljavaju fotone. Proći će mnogo godina dok elektroni neće biti „uhvaćeni“ u orbite oko jezgra tako da formiraju atome i fotoni će postati slobodni.

U ovo vreme još uvek nema atoma! Svemir je bio previše vreo da bi se formirali atomi!

Šta je nukleosinteza?

Pod nukleosintezom podrazumeva se skup nuklearnih procesa u svemiru (bez učešća čoveka) koji dovode do stvaranja novih atomskih jezgara iz već postojećih nukleona.

Oko

300000

godina

nakon

Velikog

praska

Kada je formiran svemir, bio je ispunjen je fotonima i elektronima. Elektroni su fotone držali zarobljenima što znači da je svetlost bila zarobljena da slobodno putuje. Svemir je bio NEPROZIRAN.

Temperatura je pala na oko $3\,000\,\text{K}$ i bila je dovoljno niska da se elektroni mogu spojiti sa jezgrima tako da formiraju atome. Oni su se toliko usporili da su ih jezgra mogla privući i „naterati“ na kruženje oko njih. Nastali su najlakši elementi, uglavnom sastavljeni od atoma vodonika (H), malo helijuma (He), a u tragovima litijuma (Li) i deuterijuma (teški vodonik, D). Svi ostali hemijski elementi će nastati mnogo kasnije, nuklearnim procesima unutar zvezda.

Formirani su atomi vodonika i helijuma 300 000 godina posle Velikog praska i svemir postaje proziran.

Kada su elektroni postali deo atoma, fotoni su postali slobodni. Više nisu bili zarobljeni i svetlost je mogla slobodno da putuje kroz prostor u svim smerovima

SVEMIR JE POSTAO PROZIRAN.

Ova svetlost se vidi kao

kosmičko mikrotalasno pozadinsko zračenje.

Kako znamo da postoji pozadinsko zračenje?

Jednostavno, korišćenjem satelita snimljeni su spektari tog zračenja.

Zašto je važno videti kosmičko mikrotalasno pozadinsko zračenje?

To je najranija tačka istorije svemira koja se može videti. Od ovog trenutka je moguće proučavati evoluciju svemira.

Oko

200

miliona

godina

nakon

Velikog

praska

NASTAJU PRVE GALAKSIJE I ZVEZDE.

Do rađanja prvih zvezda u svemiru je prošlo dosta vremena. Najranije zvezde su rođene unutar ovih ogromnih oblaka hladnog gasa i prašine. Tada još nije bilo galaksija. U prvim jezgrima zvezda, sastavljenim samo od vodonika (H), helijuma (He) i gasova iz Velikog praska, stvaraju se teži atomi poput ugljenika (C), kiseonika (O), olova (Pb), zlata (Au), i to procesima nukleosinteze.

Zvezde ne žive večno. Kada se završi fuzioni proces (potroši vodonik i helijum) dolazi do promena zvezda da bi na kraju eksplodirale (supernova) i ispunile prostor zvezdanom prašinom. Naučnici smatraju da su bile potrebne generacije zvezda da bi nastali elementi koji se danas mogu naći u svemiru.

Nastaju galaksije. Hiljade i milioni zvezda grupišu se zajedno da formiraju prve galaksije, a potom se te galaksije sudaraju i formiraju veće galaksije U svemiru postoji mnogo međusobno udaljenih galaksija različitih oblika i veličina.

Šta su galaksije?

Galaksija: velika grupa zvezda, gasa i prašine u svemiru koje se drže na okupu međusobnim gravitacionim privlačenjem. Galaksije su ogromne, različitog oblika, a mogu da imaju milijarde zvezda u njima.

Teleskop Habl (Hubble)
_{NASA/Wikipedia Commons (Pubic Domain)}

Svemirski teleskop Habl (Hubble) uspeo je da otkrije (snimi) galaksije nastale u ranoj mladosti svemira.

Može se reći da su galaksije umetničko delo prirode. U to se možemo uveriti posmatrajući predivne fotografije galaksija snimljene svemirskim teleskopom Habl. Pogledajte fotografije!

Pre oko

4.6

milijardi

godina

Galaksija Mlečni put. Sunce je samo jedna od milijardu zvezda galaksije.
Galaksija Mlečni put ima spiralni oblik i obuhvata više od 200 milijardi zvezda.
Sunce je od središta galaksije Mlečni put udaljeno 10 650 000 000 000 000 km.
_{Prilagođeno od NASA/JPL-Caltech/R. Hurt/Wikimedia Commons (Public Domain)}

Naša planeta je deo galaksije Mlečni put. Tačnije, Sunčev sistem kojem pripadamo nalazi se na pola puta od središta navedene galaksije.

Procenjuje se da je starost Sunčevog sistema oko 4.6 milijardi godina

Šta sve čini Sunčev sistem?

Sunčev sistem čine planete, sateliti (tela koja kruže oko većeg nebeskog tela), asteroidi (mala stenovita tela), komete (tela sačinjena od leda), meteoriti (kruti komadi materije) i međuplanetarna prašina. U galaksiji izvan našeg Sunčevog sistema postoje hiljade drugih planeta. Značajno je da je 2017. godine pronađeno sedam novih planeta nalik Zemlji i to izvan Sunčevog sistema.

Kako je nastalo naše Sunce?

Sunce je nastalo iz oblaka gasa i prašine. Čestice prašine i gasova polako su se spajale, stvarajući ogromnu „grudvu“. Proces sažimanja izazvao je nagli porast temperature. Kada je temperatura dostigla vrednost od više miliona stepeni celzijusa grudva se u središtu zapalila (započeta je termonuklearna reakcija). Zvezda je rođena. Sunce je zasijalo!

Svemir, fotografija Hablovog svemirskog teleskopa (deo maglica Tarantula u Velikom Magelanovom oblaku)
_{The Hubble Heritage Team (AURA / STScI / NASA)/ Wikimedia Commons (Public Domain)}

Početak svega!

SVAKI ATOM NA ZEMLJI NEKADA JE BIO

DEO JEDNE DAVNO ZABORAVLJENE ZVEZDE.

Žeđ francuski slikar Vilijam Adolf Bugro (1825- 1895)
_{Wikimedia Commons (Public Domain)}

Kada pijete vodu,

tada gutate atome vodonika

stare kao i sam svemir!

Pre nekoliko milijardi godina zvezde su eksplodirale,

a u svakom od nas su atomi koji potiču od njih.

Šta su zvezde?

Zvezda: svemirsko telo koje generiše toplotu i svetlost termonuklearnim reakcijama u središtu. Nakon Velikog praska materija je nastavila da se i dalje širi i hladi. U početku je gas bio ravnomerno raspoređen u prostoru. Tokom vremena javljaju se nehomogenosti. Pod delovanjem gravitacione sile dolazi do sabijanja vodonika i helijuma ka centru. Sabijanjem gasa raste unutrašnja temperatura i gustina oblaka. Kada je temperatura dostigla vrednost od 10⁷K, počinje nuklearna fuzija jezgara vodonika u jezgru helijum uz oslobađanje energije. Zvezda je rođena!

Zračenje iz svemira pomaže da se razume kako su se formirale zvezde. Svaki element ima svoj „potpis“ u spektru. Iz dobijenih informacija može se rekonstruisati formiranje zvezda.

Šta su nuklearni procesi?

To su procesi pri kojima dolazi do promene stanja i sastava atomskih jezgara u kojima dolazi do emisije različitih vrsta zračenja.

Šematski prikaz nuklearne fuzije deuterijuma i tricijuma
_{Someone/Wikimedia Commons (CC BY-SA 3.0 DEED)}

Šta je fuzija?

Fuzija: proces u kome se dva laka atomska jezgra kombinuju i stvara se teže jezgro, pri čemu se oslobađa ogromna količina energije. Čest primer je fuzija jezgara vodonika u jezgro helijuma.

Pogledajte video i saznajte više o fazama fuzije unutar jezgra zvezde:

Šematski prikaz nuklearne fisije.
_{Nuclear Regulatory Commssion/Flickr (CC BY 2.0 DEED)}

Šta je nuklearna fisija?

Fisija: cepanje teškog atomskog jezgra na dva nova lakša jezgra (fisioni produkti ili fragmenti) sličnih masa, pri čemu se emituje jedan ii više neutrona i velika količina energije.

Fuzija i Sunce:

Fuzija i fisija:

Da li se brojevi $(10^{32}\,\, , 10^{-43})$ . mogu i drugačije prikazati?

Naravno da mogu, pogledajte:

$10^{32}$ se zapisuje kao 1 i 32 nule

$(100\, 000\,000\,000\,000\,000\,000\,000\,000\,000\,000)$ .

Broj 10 se množi sa brojem 10 i to 32 puta,

tj. $10^{32} = 10^.10^. 10^.\text{ ... }^.10$ .

Kako vam se čini ovaj broj?

Jako velik broj ako razmišljamo o veličinama koje svakodnevno susrećemo.

$10^{-43}$ se zapisuje kao $43$ nule i 1 (jedinica) ili na $43$ mestu iza $0$ je broj $1$

$0.000\,000\,000\,000\,000\,000\,000\,000\,000\,000\,000\,000\,000\,000\,1$ .

Kako van se čini ovaj broj?

To je jako malo.

$(0.1$ se množi $43$ puta, tj. $10^{-43} =10^{-1}\.10^{-1}^.\text{ ....}\,^.10^{-1})$ .

Pišući sve te nule, lako je pogrešiti.

Želite li pogrešti?

Naravno da ne želimo pogrešiti, već želimo biti brzi i tačni!

To je i razlog zašto ne pišemo sve te nule, nego zapis broja 10 sa eksponentom.

Koja je najmanja jedinica vremena koju možete zamisliti? Sekunda? Milisekunda?

Ponekad nam se čini da sekunde traju kao sati, a ponekad sati žure kao sekunde. Ali za fizičare mora postojati jedinica kojom mogu objektivno izmeriti veoma malo vreme. To je Plankovo vreme:

$t_\text{P}=5.39^.10^{-44}\,\,\text{s}$

$t_{\text{P}}=0.000\,000\,000\,000\,000\,000\,000\,000\,000\,000\,000\,000\,000\,000\,0539\,\,\text{s}$

To je najmanja poznata jedinica vremena. Ona je toliko mala, da se teško može i zamisliti.

Plankovo vreme je deo šireg sistema prirodnih jedinica, poznatih kao prirodne jedinice. Ime je dobila po nemačkom fizičaru Maksu Planku (Max Planck, 1858 -1947), osnivaču kvantne teorije.

License

Icon for the Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License

UPOZNAJMO SVET I NAČINIMO GA BOLJIM ZA ŽIVOT Copyright © 2024 by University of Nova Gorica Press is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License, except where otherwise noted.

License

Share This Book