Er was eens, bijna 14 miljard jaar geleden, vond er een spectaculaire gebeurtenis plaats.

Het universum en alles wat het bevat, inclusief materie, straling, exotische deeltjes, en misschien zelfs meer abstracte concepten zoals tijd en natuurkundige wetten, ontstond.

Door te bestuderen hoe het universum zich in de loop van de tijd heeft ontwikkeld, het is mogelijk om "achteruit te rekenen" en een beeld te vormen van de fysieke omstandigheden een miljard jaar, duizend jaar, een dag, een seconde, of een nanoseconde na de oerknal. Hoe verder terug in de tijd, hoe extremer de omstandigheden waren, en hoe sneller het universum evolueerde.

Maar het is één ding om de vergelijkingen te begrijpen die de temperatuur beschrijven, of het creëren van nieuwe deeltjes, of iets anders. Hoe zou het voelen om er daadwerkelijk getuige van te zijn? Hoe zou het eruit zien? Wat zou je ervaren?

Laten we het uitzoeken. We moeten eerst onze waarnemer uitrusten - laten we haar Alice noemen, terwijl ik momenteel naar het nummer "Alice" van Tom Waits luister, en aangezien het een populaire naam is voor slachtoffers van gedachte-experimenten -met een magisch ruimtepak- ^TM , bestand tegen extreme hitte, druk, dichtheid, straling, en strekken. Ze heeft ook een zonnebril nodig, want totdat het universum een ​​miljoen jaar oud was, was het oogverblindend helder.

Je kunt de reis van Alice volgen in de interactieve afbeelding hieronder. Maar voordat we vertrekken, we moeten een paar dingen vaststellen.

Hoe weten we wat er is gebeurd?

Omdat licht niet oneindig snel reist, we zien alles zoals het was in het verleden. Als je op je telefoon kijkt, je kijkt een nanoseconde terug in de tijd, want zo lang deden de lichtdeeltjes erover om 30 centimeter af te leggen. Als je naar de maan kijkt, je ziet er goed uit als een seconde terug in de tijd, omdat de maan 400 is, 000 kilometer verderop. En als je een sterrenstelsel op een miljard lichtjaar afstand observeert, je kijkt eigenlijk een miljard jaar terug in de tijd.

We kunnen de dichtheid meten, temperatuur, en andere fysieke grootheden van het universum. Het observeren van de snelheid van sterrenstelsels vertelt ons dat het heelal uitdijt. Als we achteruit rekenen, we kunnen de fysieke omstandigheden in eerdere tijdperken uitwerken.

Op deze manier, we zijn er eigenlijk vrij zeker van wat er gebeurde tot minder dan een seconde na de oerknal. Dit komt omdat we niet alleen kunnen rekenen, maar voer ook experimenten uit in enorme deeltjesversnellers zoals CERN, om de omstandigheden die toen heersten te herscheppen, en bevestig dat we niet helemaal ongelijk hebben.

Maar we weten niets over de allereerste fractie van een fractie van een seconde - het zogenaamde 'Planck-tijdperk'. Momenteel, de omstandigheden waren zo extreem dat natuurkundige wetten uiteenvallen. Misschien heeft het zelfs geen zin om op dit punt in de geschiedenis van het universum over ruimte en tijd te praten. Hoe groot is het heelal?

Oneindig... Misschien...

We weten niet hoe groot het heelal is. We kunnen alleen het deel ervan zien van waaruit het licht de tijd heeft gehad om ons te bereiken. Dit deel heet "het waarneembare heelal, " en omdat het universum 13,8 miljard jaar oud is, je zou kunnen denken dat we in alle richtingen 13,8 lichtjaar kunnen kijken. Maar omdat het zich uitbreidt, het is wat groter, in feite een goede 46 miljard lichtjaar.

Wij nemen aan, hoewel we niet zeker zijn, dat het universum buiten onze kleine bubbel voor altijd doorgaat. Als dat waar is, toen werd het oneindig groot "geboren". Hoewel het fysiek zinvol is om te praten over een oneindig groot universum dat groeit of krimpt, het is ongetwijfeld moeilijk te visualiseren. Dus normaal gesproken kijken we in plaats daarvan naar de grootte van het waarneembare heelal.

Het is belangrijk om te weten dat, hoe groot het universum ook is, de oerknal was geen "explosie" in de zin dat een dichte massa materie zich door de ruimte begon te verspreiden. Liever, het was het scheppen van ruimte, en misschien de tijd zelf, en de daaropvolgende uitbreiding van deze ruimte.

Dit roept de vraag op, "waarin breidt het zich uit?" en "wat is buiten?" Het is moeilijk je een oneindig universum voor te stellen dat uitdijt, laat staan ​​een eindig universum dat niet is ingebed in een grotere dimensionale ruimte. Maar niettemin, dat is wat we denken dat er gebeurt. Met andere woorden, het breidt zich eenvoudig 'op zichzelf' uit.

Nutsvoorzieningen, met 'Cosmology 101' uit de weg, laten we ons weer bij Alice voegen als ze aan haar reis begint.

Inflatie in het donker

Zoals hierboven vermeld, we weten niets over de allereerste fractie van een seconde. Wij weten, echter, dat alles extreem dicht was, want wat later ons waarneembare heelal zal worden, is op dit moment kleiner dan een atoomkern.

Eerst, zwaartekracht ontstaat, en dan de "sterke" kernkracht. Sommige exotische deeltjes precipiteren uit deze extreme energiedichtheid, inclusief het Higgs-deeltje, die verantwoordelijk is voor het concept van massa.

Maar in eerste instantie Alice waardeert niets van dit inferno. Licht is nog niet gemaakt, dus voor haar, alles is donker.

Plotseling, de ruimte zelf begint exponentieel snel uit te breiden.

Dit tijdperk wordt "inflatie, "en als het tot stilstand komt, wat later het waarneembare heelal zal worden, in een fractie van een seconde, gegroeid van kleiner dan een atoomkern tot 20 meter in diameter. Het is nog maar de grootte van een huis, maar relatief gezien is het heelal in deze fractie van een seconde net zoveel gegroeid als sindsdien.

Wat zich ook in de ruimte bevindt, moet de expansie volgen. Behalve Alice's magische ruimtepak natuurlijk, en wat een geluk, want zonder dat haar hoofd en haar voeten, die op dit moment veel groter zijn dan het waarneembare heelal, zou 20 miljard lichtjaar van elkaar worden verscheurd.

Na inflatie, alles breidt zich steeds verder uit. Tegelijkertijd, de temperatuur daalt. Het is alsof het gas van een onverlichte aansteker koud aanvoelt:het gas wordt samengeperst in de aansteker, maar wanneer het ontsnapt, het zet uit en koelt af.

…en er was licht

Tijdens inflatie, het heelal koelt even af ​​van een miljard miljard miljard graden, tot bijna het absolute nulpunt. Maar als de inflatie voorbij is, net zoals Alice denkt:"Brrr... misschien wordt het een beetje te koud, " het zogenaamde opwarmproces verhoogt de temperatuur weer tot 10 miljard biljoen graden. Op dit moment, nieuwe soorten deeltjes worden gecreëerd, inclusief licht in de vorm van fotonen.

Omdat de temperatuur zo ongelooflijk hoog is, alle deeltjes zijn zeer energierijk, en de overgrote meerderheid van de fotonen zijn daarom gammastralen. Maar een klein deel van het lichtspectrum strekt zich uit over röntgenstralen, ultraviolet licht, en zichtbaar licht, wat het meest interessant is voor Alice.

Dus, wat is de eerste kleur die Alice ziet? Wat was de kleur van de oerknal?

De term 'kleur' ​​is in feite een psychologisch concept. De kleur die de hersenen waarnemen, hangt af van de verdeling van het licht in de drie golflengtebereiken die worden waargenomen door de kegels van de ogen, namelijk rood, groente, en blauw.

Als iets licht uitstraalt omdat het heet is, je kunt het spectrum berekenen en vervolgens de kleur in rood uitwerken, groente, en blauw. Alice zelf is niet zo warm, dus ze straalt meestal in het energie-zwakke infrarood licht, en een menselijk oog is niet gevoelig genoeg om het kleine deel ervan waar te nemen dat zich in het zichtbare spectrum bevindt.

Een stuk heet, gloeiend ijzer straalt meestal in het rood. Als het echt warm wordt, het straalt ongeveer evenveel uit in zowel rood, groente, en blauw, en dat wordt door de hersenen geïnterpreteerd als 'wit licht'.

Als de temperatuur voldoende hoog is, het spectrum piekt in het blauw, en in de limiet van een oneindige temperatuur, de kleur benadert een saffierblauwe tint.

Dus, wat Alice om haar heen ziet is het saffierblauw van deze hete quark-gluon plasmasoep, zoals weergegeven in de afbeelding hieronder.

Alice's ruimtepak is natuurlijk uitgerust met een elektronische kleurenmeter, en ze meet de kleurverzadiging van het universum op 63 procent, 71 procent, en 100 procent in het rood, groente, en blauw, respectievelijk.

Dat is, ze zou als het had gewerkt, maar het universum is nog steeds slechts 1/100 van een miljoenste van een biljoenste van een biljoenste van een seconde oud, en elektriciteit bestaat nog niet.

Alice moet een volledige picoseconde (0.000000000001 seconden) wachten voordat de elektromagnetische kracht wordt gecreëerd. Dat klinkt misschien niet als lang wachten, maar zoals met alles in ruimte en tijd, het is allemaal relatief. Voor Alice, deze extra wachttijd is gelijk aan honderd triljoen keer langer dan haar hele reistijd tot nu toe.

Alice wordt zwaarder

Momenteel, de "zwakke" kracht wordt ook gecreëerd. Dit betekent dat alle vier de krachten van het universum nu zijn gevestigd, de andere drie zijn de elektromagnetische kracht, zwaartekracht, en de "sterke" kracht.

Strikt gesproken, al deze krachten bestonden al, maar ze werden samengevoegd tot één enkele verenigde kracht totdat ze begonnen te scheiden in hun "individuele" krachten.

Met deze vier krachten op hun plaats, deeltjes kunnen nu interageren met het Higgs-deeltje en dus massa winnen. Voor Alice, dit betekent dat ze nu iets weegt. Maar aangezien perverse modestandaarden nog 13,8 miljard jaar niet zullen bestaan, ze maakt zich niet zo druk over deze plotselinge gewichtstoename.

Brokken in de soep

De omgeving van Alice is behoorlijk saai; alles is volledig gelijkmatig verdeeld, dus waar ze ook kijkt, ze ziet hetzelfde.

Maar wacht... kleine onregelmatigheden worden gevormd door het kwantummechanische onzekerheidsprincipe, die zegt dat er een fundamentele ondergrens is, in termen van hoe exact het zinvol is om te zijn als we het hebben over de positie van een object.

Kwantummechanica beschrijft processen op zeer kleine schaal, van de grootte van atomen en lager. Maar door de extreme expansie, de kleine inhomogeniteiten worden opgepompt tot aanzienlijke proporties.

En wat een geluk. Als alles helemaal glad was geweest, dat zou voor altijd zo blijven. Maar in plaats daarvan, er bestaan ​​heel kleine klontjes die net iets meer wegen dan hun omgeving en daardoor wat meer materie aan kunnen trekken. Hierdoor kunnen ze groeien en uiteindelijk de structuur in het universum vormen die in sterrenstelsels verandert, sterren, planeten, en uiteindelijk, ons.

Donkere materie te hulp

Maar is materie in staat voldoende te klonteren, voordat de uitbreiding het te ver uit elkaar trekt? (Spoiler alert:Ja, anders zou je dit niet lezen.)

Werkelijk, als de enige materie die bestond de dingen waren die Alice kan zien, dan kon dit niet gebeuren. Maar gelukkig, voor elke gram materie zijn er ongeveer vijf gram van een ander, onzichtbare materie die zorgt voor de extra zwaartekracht die nodig is om materie samen te laten klonteren. Wij noemen dit, donkere materie.

Het heelal is nu afgekoeld tot 10 miljoen miljard graden en is ongeveer even groot als de afstand van de aarde tot de zon vandaag. De klomp die op een dag in de Melkweg zal veranderen, heeft een straal van 100 kilometer, ongeveer zo groot als Sierra Leone.

Het universum vertraagt

Het universum blijft uitdijen vanwege de snelheid die het verkrijgt door inflatie, maar de expansiesnelheid neemt langzaam af vanwege de onderlinge aantrekkingskracht van alle deeltjes.

Echter, zelfs een volledige nanoseconde na de oerknal, expansie gaat zo snel dat objecten op meer dan een meter afstand van Alice, bewegen zich sneller van haar af dan het licht. Slechts een microseconde later, het is koud genoeg dat quarks zijn samengesmolten tot neutronen en protonen.

Het heelal is nu zo groot als het zonnestelsel, maar de dichtheid van materie en straling is nog steeds 1, 000 keer hoger dan een neutronenster, het meest compacte wat er vandaag bestaat.

Boze tweeling

Alice ziet nu niet alleen deeltjes, maar ook antideeltjes die ontstaan.

Een antideeltje is als de kwaadaardige tweelingbroer van het deeltje, en als een deeltje zijn antideeltje ontmoet, houden ze allebei op te bestaan ​​en worden er nieuwe deeltjes gecreëerd. Sommige van deze nieuwe deeltjes zijn fotonen - licht.

Om redenen die we nog niet begrijpen, voor elke 10 miljard antideeltjes die bestonden waren er 10 miljard en één deeltje, Ongeveer.

Op een hoge leeftijd van één seconde, het heelal is nu gezwollen tot een straal van 10 lichtjaar, en alle antiprotonen zijn vernietigd met protonen, antineutronen met neutronen, enzovoort. Het kleine overschot aan "normale" deeltjes is wat tegenwoordig de zichtbare kosmos vormt.

Warm en helder, met kans op mist

Er gaan nog eens tien seconden voorbij en elektronen en anti-elektronen zijn op. Het heelal is nu afgekoeld tot een paar miljard graden, maar aangezien 99,99999999 procent van alle deeltjes wordt omgezet in puur licht, het universum brandt plotseling met een verblindend licht.

In het begin van dit deeltje-eet-deeltjes-inferno, de dichtheid is zo hoog dat Alice letterlijk geen hand voor haar gezicht kan zien omdat het licht constant wordt verstrooid door de elektronen.

Maar als ineens de meerderheid van de elektronen in het (saffier)blauw verdwijnt, het zicht neemt toe tot... tromgeroffel alstublieft... hoe groot kan het zijn? Een triljoen lichtjaar?. Ah, Nee, 20 meter. Niet erg indrukwekkend. Maar het maakt eigenlijk niet uit, want er is toch niet zo veel te zien:achter de mistige sluier is het, goed, gewoon meer van hetzelfde.

Na een paar minuten, de temperatuur is gedaald tot onder een miljard graden, en een belangrijk tijdperk in de geschiedenis van het universum begint - nucleosynthese. Het is nu koud genoeg dat protonen, die in feite hetzelfde zijn als waterstof, smelten om zwaardere elementen te vormen.

Helaas, geluk is van korte duur:de dichtheid van het heelal neemt af door uitdijing, en op 15 minuten oud, het heeft ongeveer dezelfde dichtheid als water op aarde. Nucleosynthese loopt op zijn einde.

Tot dusver, alleen helium en een klein beetje lithium hebben tijd gehad om zich te vormen. Alle zwaardere atomen zullen pas over honderden miljoenen jaren gevormd worden, in sterren en hun doodsexplosies.

Dat is het, mensen. Na amper een kwartier, de oerknal is voorbij, en nu gebeurt er duizenden jaren lang niet veel.

Elke keer dat een neutraal atoom zich probeert te vormen, het elektron wordt onmiddellijk afgescheurd door een zeer energetisch foton. Maar op 380, 000 jaar oud, de temperatuur van het heelal is gedaald tot 3, 000 graden, heeft een mooie oranjerode tint gekregen, en is koud genoeg dat waterstofatomen neutraal kunnen blijven.

Bijgevolg, de mistige elektronensluier wordt opgelicht en licht ontsnapt – ontkoppelt – van de materie.

De nagloed van de oerknal

Het heelal is nu bijna een miljoen lichtjaar in doorsnee, en licht stroomt vrij door het hele universum, zoals het sindsdien heeft gedaan.

De brokken materie die Alice zag vormen, zijn groter geworden, maar zijn op het moment van ontkoppeling nog erg klein; de dichtste regio's zijn 1/100, 000 keer dichter dan de meest verdunde gebieden. Hoe dan ook, dit is voldoende om de straling die vrijkomt niet overal dezelfde golflengte te laten vertonen.

En dit licht - de ietwat onregelmatige gloed van de Big Bang, bekend als "de kosmische microgolfachtergrond" - is nu het meest verre dat we kunnen zien. Veel van wat we weten over Big Bang, en van het universum in het algemeen, we hebben geleerd van het bestuderen van dit licht.

Big Bang-tijdlijn (en de geschiedenis van het universum)

Alice heeft de tijd van haar leven gehad en kan nu haar ruimtepak en zonnebril weer op de plank leggen.

Als je in de tussentijd de ruimte en tijd uit het oog bent verloren, je vindt hier een uitgebreide grafische tijdlijn van de oerknal (en de rest van de geschiedenis van het universum).

Tijdens het schrijven van dit artikel heb ik een code geschreven met de naam tijdlijn die de eigenschappen (grootte, temperatuur, kleur, expansiesnelheid, en meer) van het universum op verschillende momenten in zijn geschiedenis. De code is geschreven in de taal Python, en kan hier worden opgehaald.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan ScienceNordic, de vertrouwde bron voor Engelstalig wetenschappelijk nieuws uit de Scandinavische landen. Lees hier het originele verhaal.