Astrofüüsika inimestele, kellel on kiire. Neil deGrasse Tyson
Wake” ühest tüüpiliselt tõlgendamatust lausest: „Three quarks for Muster Mark!” Üks asi, mida kvarkide puhul tasub kiita: neil on lihtsad nimed – mida keemikute, bioloogide ja eriti just geoloogide antud nimetuste puhul harva kohtab.
Kvargid on ühed veidrad elukad. Erinevalt prootoneist, millel kõigil on elektrilaeng +1, ja elektronidest, mille laeng on −1, on kvarkidel murdarvulised laengud, mida saab täpselt väljendada vaid kolmandikena. Ning üksikut kvarki ei ole võimalik kusagilt leida; see on alati teiste lähedalasuvate kvarkide küljes. Õigupoolest kaht (või rohkemat) kvarki kooshoidev jõud tugevneb seda enam, mida rohkem neid eraldada – justkui hoiaks neid koos mingi subatomaarne kummipael. Kui kvarke piisavalt üksteisest eraldada, siis see kummipael katkeb ja salvestatud energia kutsub appi E = mc2, et luua mõlemasse katkenud otsa uus kvark, nii et oled tagasi seal, kust alustasid.
Kvargi-leptoni ajastul oli universum piisavalt tihe, et keskmine distants sidumata kvarkide vahel oleks lähedane distantsiga seotud kvarkide vahel. Sellistel tingimustel poleks saanud selgelt määrata sidet kõrvutiolevate kvarkide vahel ning nad liikusidki vabalt üksteise seas ringi, kuigi kollektiivselt olid nad kokku seotud. Sellise „kvarkide keedupada” meenutava mateeriaseisundi avastas 2002. aastal rühm füüsikuid Brookhaveni riiklikus laboratooriumis Long Islandil, New Yorgi osariigis.
Leidub kindlaid teoreetilisi tõendeid sellest, et väga varajases universumis leidis aset mingi episood, vahest mõne varajase jõudude lahknemise kestel, mis kinkis universumile märkimisväärse asümmeetria, kus mateeriaosakeste arv kasvas antimateeria osakestest veidi suuremaks: umbes miljard pluss üks miljardi vastu. Nii vähene erinevus oli kvarkide ja antikvarkide, elektronide ja antielektronide (pigem tuntud positronide nime all), neutriinode ja antineutriinode pideva tekkimise, hävimise ja taastekkimise kestel küll vaevumärgatav. Ka „liigsel” osakesel tekkis piisavalt võimalusi, et leida endale hävimiskaaslane, nagu kõigil teistelgi osakestel.
Kuid seda polnud kauaks. Kui kosmos jätkas paisumist ja jahtumist, kasvades juba suuremaks meie Päikesesüsteemist, langes temperatuur kähku alla triljoni kraadi Kelvini järgi.
*
Nüüd on algusest möödas miljondik sekundit.
*
See leigem universum polnud enam piisavalt kuum ega tihke, et kvarkide supipada podisemas hoida, seega krabasid nad kõik endale tantsupartneri, luues uue püsiva raskete osakeste perekonna nimega hadronid (kreekakeelsest sõnast hadros, mis tähendab „tüse”). Kvarkide üleminek hadroniteks tõi peagi kaasa prootonite ja neutronite ning ka muude ja vähemtuntumate raskete osakeste tekke, mis kõik koosnesid kvargiliikide mitmesugustest kombinatsioonidest. Tuleme korraks Maa peale tagasi, nimelt Šveitsi, kus koostööle asunud Euroopa osakestefüüsikud3 kasutavad suurt osakestekiirendit, kus hadronite kiiri pannakse põrkuma, üritades nii neid tingimusi taasluua. Too suurim masin maailmas kannab igati põhjendatult nime Suur Hadronipõrguti.
Tilluke asümmeetria mateeria ja antimateeria vahel, mis mõjutas kvargi-leptonisuppi, hakkas nüüd mõjutama hadroneid, ning selle tagajärjed kujunesid üsna erakordseteks.
Kui universum edasi jahtus, vähenes põhiosakeste spontaanseks tekkimiseks kättesaadav energia. Hadronite ajastul ei saanud kõikjal olevad footonid enam appi kutsuda E = mc2 võrrandit, et luua kvargi-antikvargi paare. Vähe sellest, nüüdsetest hävimistest tekkinud footonid kaotasid oma energiat üha paisuvale universumile, langedes nõnda kvargi-antikvargi paaride tekitamise suutlikkuse lävendist allapoole. Iga miljardi hävimise kohta – mis jättis järele miljard footonit – jäi ellu ka üks hadron. Neile üksiklastele kuulub viimaks kogu lõbu: nemad said allikaks mateeriale, millest tekkisid galaktikad, tähed, planeedid, potililled ja inimesed.
Kui mateeria ja antimateeria vahel poleks eksisteerinud toda miljard pluss üks versus miljard antisümmeetriat, oleks kõik massiga osakesed universumis end vastastikku hävitanud, jättes alles kosmose, mis koosneb vaid footonitest ja ei millestki muust – ülim „Saagu valgus!” stsenaarium.
*
Nüüd on algusest möödas üks sekund.
*
Universum on kasvanud paari valgusaasta4 laiuseks, mis on enam-vähem sama kaugus, mis lahutab Päikest lähimatest tähtedest. Miljardi kraadi juures on see endiselt üsna kuum – suudab endiselt „keeta” elektrone, mis koos oma positronidest kaaslastega jätkavad olevakssaamist ja kadumist. Kuid pidevalt paisuvas ja jahtuvas universumis on nende päevad (õigemini sekundid) loetud. Mis juhtus kvarkide ja hadronitega, juhtub nüüd ka elektronidega: viimaks jääb alles vaid üks elektron miljardist. Ülejäänud hävitavad end koos oma antimateeria partnerite, positronidega footonite meres.
Nüüd on üks elektron iga prootoni kohta olemasolusse „külmunud”. Kosmos jätkab jahtumist – temperatuur langeb alla saja miljoni kraadi – ja prootonid ühinevad prootonitega, nagu ka neutronitega, luues aatomituumi ja haududes valmis universumi, kus 90% neist aatomituumadest on vesiniku ja 10% heeliumi omad, kuigi tühine osa kuulub ka deuteeriumile („raske” vesinik), triitiumile (veel raskem vesinik) ja liitiumile.
*
Algusest on möödas kaks minutit.
*
Järgmised 380 000 aastat ei juhtu meie osakestesupiga midagi erilist. Nende aastatuhandete kestel jääb temperatuur piisavalt kõrgeks, et elektronid rändaksid vabalt footonite seas, põrgatades neid siia ja sinna, kui nad üksteist mõjutavad.
Kuid too vabadus saab äkilise lõpu siis, kui universumi temperatuur langeb alla 3000 °K (umbes pool Päikese pinnatemperatuurist) ning kõik vabad elektronid liituvad aatomituumadega. Too abielu jätab järele kõikjalviibiva nähtava valguse, mis igaveseks salvestab taevasse andmed sellest, kus kogu mateeria sel hetkel asus, ning viib lõpule osakeste ja aatomite moodustumise ürgses universumis.
*
Esimese miljardi aasta kestel jätkab universum paisumist ja jahtumist, samas kui mateeria moodustab gravitatsiooni tõttu massiivsed kogumid, mida me nimetame galaktikateks. Neid moodustub ligi sada miljardit ja igaüks sisaldab sadu miljardeid tähti, mille tuumades toimub termotuumasüntees. Need tähed, mille mass on Päikese omast kümme korda suurem, saavutavad oma tuumades piisavalt suure rõhu ja temperatuuri, et toota tosinaid elemente, mis on vesinikust raskemad, sealhulgas needki, millest moodustuvad planeedid ja mistahes elu nende pinnal.
Neist elementidest poleks olnud küll mingit kasu siis, kui nad jäänuks sinnasamasse, kus nad moodustusid. Kuid õnneks on suure massiga tähtedel kalduvus plahvatada ning oma keemiliselt rikastatud sisu üle galaktika laiali laotada. Kui säärane rikastamine oli toimunud juba üheksa miljardit aastat, siis ühes universumi üsna silmatorkamatu osa (Virgo ehk Neitsi superparve ääremail) vähetähtsa galaktika (Linnutee) suvalises regioonis (Orioni harus) sündis üks harilik täht (Päike).
Too gaasipilv, millest moodustus Päike, sisaldas piisavalt palju raskeid elemente, mis kogunedes tekitasid terve hulga objekte, mis tähe ümber ringlema asusid, sealhulgas mitmed kivised ja gaasilised planeedid, sajad tuhanded asteroidid ja miljardid komeedid. Esimese paarisaja miljoni aasta kestel kogunes arvestatav hulk seni metsikutel orbiitidel tiirelnud kosmoseprahist kokku suuremateks taevakehadeks. See leidis aset suurel kiirusel toimuvate kokkupõrgetena, kus vallandus palju energiat, mis ei lasknud kiviste planeetide pindadel tahkuda, takistades keerukamate molekulide moodustumist.
Kui Päikesesüsteemi jäi alles üha vähem vaba mateeriat, hakkasid planeetide pinnad jahtuma. See, mida me nimetame Maaks, tekkis Päikese lähedal asuvas nn Kuldkihara tsoonis, kus ookeanid on peamiselt vedelas olekus. Asuks Maa Päikesele palju lähemal, oleksid need ookeanid aurustunud. Asuks Maa palju kaugemal, siis need ookeanid oleksid üleni jäätunud. Nii või teisiti, meile tuttav elu poleks tekkinud.
Keemiliselt rikkalikes vedelates ookeanides tekkis orgaanilistest molekulidest mingi veel avastamata mehhanismi läbi end taastootev elu. Selles ürgses supis valitsesid anaeroobsed bakterid – elu, millel läheb hästi hapnikust tühjas keskkonnas, kuid mis ise toodab ühe