Lemaître nije pokušavao objasniti porijeklo kozmičkog jajeta, ali iz Einsteinovih jednadžbi je matematičar Roger Penrose 1965. godine dokazao da se prilikom nastanka crne rupe sva materija mora urušiti u jednu točku beskonačno velike gustoće i skoro ništičnog obujma (kaže se skoro, jer prostor je kvantiziran i njegova najmanja moguća duljina iznosi 10 na minus 33 cm, što je oko 10 na minus 20 veličine protona) - 'singularnost'. Obrnemo li tok vremena, proizlazi da se svemir proširio iz jedne takve točke, otkada se nastavio brzo širiti.


Vrijeme također podliježe kvantizaciji i najmanji mogući odsječak vremena je 10^-43 s (tzv. Planckovo vrijeme). Dakle, u trenutku nastanka prostora, vremena i materije, svemir je bio „star“ 10^-43 s.


Odmah po nastanku svemira počinje priča o nukleosintezi. U trenutku kad je nastao, temperatura svemira bila je oko 100 milijardi kelvina, toliko vruće da je većina energije bila u obliku elektromagnetnog zračenja, a protoni i neutroni nastajali su i nestajali u skladu s jednadžbom E = mc^2. Nakon 10^-39 s počinje brzo širenje svemira. U trenutku kada je svemir nastao, četiri fundamentalne sile: gravitacijska, elektromagnetska, 'slaba' i 'jaka' nuklearna, bile su ujedinjene. Gravitacijska sila odvojila se odmah po nastanku svemira, 10^-35s odvaja se jaka sila od slabe i elektromagnetske, a 10^-11 s razdvaja se slaba nuklearna sila od elektromagnetske. U kvarkovskoj epohi, 10^-5 s po nastanku, stapaju se kvarkovi u neutrone i protone, a od gama zračenja nastaju parovi elektron–pozitron. Otprilike 0,1 s poslije nastanka temperatura je pala na 30 milijardi kelvina, pa se zračenje počelo da „zamrzava“ u materiju. Iako je energija i dalje bila u obliku zračenja, to zračenje nije više tako lako moglo da stvara i uništava čestice. Isprva je zračenjem nastajao jednaki broj protona i neutrona, uz veliki broj elektrona, ali kako su neutroni izvan jezgre nestabilni, izbacivali su po jedan elektron i pretvarali se u proton pa je broj protona postepeno rastao.


13.8 sekundi poslije nastanka, temperatura svemira spustila se na 3 milijarde kelvina, pa su privremeno mogle  nastati jezgre deuterija. No one su se ubrzo razbile zbog sudara s drugim česticama, i naposljetku su okolišni uvjeti počeli sličiti onome što se danas dešava u unutrašnjosti zvijezda.


Tri minute i dvije sekunde poslije nastanka, temperatura je pala na milijardu kelvina, što je samo šest puta toplije od temperature u središtu Sunca danas, a omjer neutrona prema protonima spustio se na samo 14%. No, to je bilo dovoljno hladno da se trajno vežu lake jezgre, pa su neutroni sačuvani od potpunog uništenja. (Znamo da su neutroni izvan jezgre nestabilni i da se raspadaju.)


Tijekom sljedećih nekoliko sekundi desilo se mnoštvo brzih nuklearnih reakcija te su svi preostali neutroni svemira vezani za protone u jezgrama helija–4, stvarajući mješavinu od oko 25% helija u masenom udjelu i gotovo 75% vodika te tragove vrlo lakih jezgara deuterija i litija. Proces nukleosinteze nakon Velikog praska završio je 3 minute i 46 sekundi poslije početka vremena. (Fuziju koja se dešavala u prvih pola sata nakon Velikog praska zovemo prvobitna fuzija.) Ovdje je vrlo važno da standardna teorija Velikog praska predviđa točno takav omjer lakih elemenata kakav pronalazimo u najstarijim zvijezdama.


U posljednje vrijeme aktualan je u znanstvenom svijetu pokus koji se provodi u velikom akceleratoru i sudaraču čestica u sklopu CERN-ova laboratorija u Švicarskoj/Francuskoj. Taj eksperiment trebalo bi konačno pokazati postojanje jedne čestice koju nazivamo Higgsov bozon ili Božja čestica, mase oko 100 – 200 masa protona. Ta čestica je dokaz koji nedostaje teoriji što objašnjava temeljno svojstvo svemira: kako elementarne čestice dobivaju masu. Kao što protoni i elektroni međudjeluju preko elektromagnetskog polja koje prožima čitav prostor, moglo bi postojati i polje – Higgsovo polje – koje elementarne čestice popunjava masom. Pronalazak Higgsove čestice potvrdio bi postojanje tog polja. Također bi on trebao dati odgovor kako svemir uopće postoji. Jer, u teoriji je Veliki prasak trebao proizvesti jednake količine materije i antimaterije koje bi jedno drugo poništile i ostavile prazan svemir, no znamo da se svemir sastoji isključivo od materije.


Oblikovanje svemira išlo je dalje. Nakon 380 tisuća godina jezgre atoma uspijevaju da „uhvate“ elektrone te dolazi do formiranja prvih atoma. Svemir postaje proziran i oslobađa se pozadinsko kozmičko zračenje. Oko pola milijuna godina po nastanku, na 6000 K razdvojili su se zračenje i materija.


Nakon jednog milijuna godina zbog širenja svemira temperatura pozadinskog zračenja smanjila se toliko da je svemir utonuo u tamu koja je trajala 280 milijuna godina. Od 100 do 280 milijuna godina u tom oceanu mraka nastala je prva zvijezda. To se dogodilo u vrtložnom oblaku vodika i helija koji se nakupljao pod gravitacijskim djelovanjem guste i nevidljive „tamne tvari“. Kako su se plinovi hladili, središte oblaka se sažimalo u gustu grudu. Za stotinu tisuća godina ta gruda se urušila pokrenuvši fuziju i rodila se zvijezda. Nakon toga dolazi do formiranja galaktika i daljnje evolucije svemira. Nastavljajući se hladiti, svemir je dostigao temperaturu od samo nekoliko kelvina.


Franjo Šarčević, 04/2009

Literatura i izvori

Nastavak narednog ponedjeljka.

Prethodno: Veliki prasak, 2. dio: Formulacija i pobjeda teorije Velikog praska