Materia
Nenumarate metode independente au demonstrat ca Universul nu a existat dintotdeauna, ci a aparut (aproximativ) acum 15 miliarde de ani. In acea epoca foarte indepartata, proprietatile Universului erau foarte diferite de cele actuale. De fapt, cum Universul este in expansiune, densitatea materiei sale (cantitatea de materie continuta intr-un volum anume), scade constant. Intr-un mod similar, densitatea energiei medii a Universului, scade si ea, ceea ce antreneaza o scadere de temperatura. Deci, cu cat ne intoarcem in trecut, cu atat densitatea Universului era mai mare, energia si temperatura era mai mari. In consecinta, primele timpuri ale Universului erau caracterizate prin densitati, temperaturi si energii foarte mari, conditii pe care nu le putem reproduce pe Terra. Singura speranta este aceea de-a recurge la teorii fizice, adica de-a supune legile fizicii la conditii extreme. Dar, ca sa putem intelege mai bine primele faze ale Universului, va trebui sa facem un mic ocol prin fizica particulelor
Constituantii materiei
Pana la mijlocul secolului trecut, fizica particulelor era relativ simpla. Singurele particule elementare cunoscute erau : electronul, protonul si neutronul. Dar ameliorarea mijloacelor de detectare a permis descoperirea a unui foarte mare numar de alte particule diferite. Cu timpul s-a descoperit ca protonii si neutronii erau de fapt sisteme cu structura complexa, alcatuiti la randul lor din particule si mai elementare, care au fost denumite "quarks" (cred ca in limba romana se numesc quanti). Exista cinci tipuri de quarks: down, up, strange, charm, bottom si top .
In conditii normale, acesti quarks nu exista in stare izolata ci îi gasim asociati in grupuri mici. Formeaza atunci o particula neelementara. Deci, trei quarks se pot grupa formand un baryon. Cei doi baryon pe care-i gasim in materie sunt: protonul (format din doi quarks : down si up) si neutronul (format din doi quarks down si unul up). Un alt tip de combinare este cea formata dintr-un quark si un antiquark ( meson). Toate asocierile formate din quarks poarta numele de hadrons.
In afara de quarks, mai exista inca o categorie de particule elementare care se numesc leptons. Leptons apar decat in procedee foarte energetice sau in aceeleratorii de particule. Leptons formeaza elecronii .
Fortele
Dupa aceasta scurta prezentare a materiei si a constituantilor ei, sa vedem care sunt fortele care creeaza interactiunea dintre aceste particule.
Toate fenomenele fizice pe care le observam in natura se pot explica prin intermediul celor patru forte fundamentale: forta gravitatiei, forta electromagnetica, forta nucleara slaba si forta nucleara puternica.
Ce este forta?
Un raspuns satisfacator la aceasta intrebare este dat cu ajutorul elecrodinamicii quantice : forta este de fapt un schimb de fotoni intre particule. In cazul fortei nucleare puternice este vorba de un schimb de trei diferiti vectori intermediari, intre particule.
Deci, teoria fortelor nucleare si dinamica quantica se aplica la materia ce se gaseste in conditiile posibile de observat, respectiv pe Terra. Dar primele clipe ale Universului sunt marcate de temperaturi si densitati enorme. La o temperatura de 10 la puterea 28 grade Kelvin, se presupune ca fortele se unifica. Teoria marii unificari a fortelor cunoscuta si sub numele de SU(5) spune ca intersectia unificarii se face prin intermediul a 24 particole diferite.
In afara de particulele cunoscute, s-a presupus ca mai exista inca 8, care au fost botezate: particole X. Aceste particole X se deosebesc de celelalte prin capacitatea lor de-a unii intre ei quarks si leptons. Aceasta teorie afirma ca, particulele X au capacitatea de-a transforma un quark intr-un lepton si invers, ceea ce nu este posibil cu nici o alta interactiune. Acest potential al particulelor X este la originea asimetriei dintre materie si antimaterie, ceea ce a permis un "avantaj" materiei.
Deci, aceasta posibilitate de unificare si transformare a quarks in leptons si invers ne demonstreaza ca protonul nu este etern. Un proton, cum am mai spus, este o grupare de trei qurks; este suficient ca unul din acesti quarks sa se transforme in lepton pentru ca aceasta grupare sa se dezintegreze. Dar aceasta probabilitate este foarte mica, ceea ce si explica durata de viata a unui proton: 10 la puterea 31 ani
.
Particulele virtuale
Ca sa putem intelege fenomenele care s-au produs la Big Bang, mai trebuie explicat inca un fenomen straniu al mecanicii quantice. Conform relativitatii, energia este echivalenta cu masa. Mecanica quantica ne invata ca masa poate aparea din nimic, exista un timp foarte scurt si apoi dispare. Se poate calcula ca, un electron tasneste din neant, traieste aproximativ 10 la puterea - 22 secunde, si apoi se intoarce in neant. Putem spune ca atunci energia poate suferi de un moment de incertitudine, dar nu este cazul pentru ca, atunci cand un electron apare din vid, el este insotit de un antielectron, pentru ca incarcatura electrica a ansamblului sa ramana constanta si nula.
Parcticulele care apar si dispar astfel au o durata foarte mica de viata. Nu se pot observa si de aceea sunt numite particole virtuale. Prezenta lor este observata doar prin efectul pe care-l au asupra particulelor cunoscute. De exemplu, posibilitatea de-a avea un electron izolat in spatiu nu exista. Fiecare electron este inconjurat de un nor de particule si antiparticule virtuale care vor afecta unele dintre proprietatile sale.
Aceasta posibilitate de creatie si disparitie de materie schimba profund viziunea lumii microscopice. Notiunea de vid se schimba. Chiar si cel mai absolut vid este populat de-o multime de particule si antiparticule virtuale. Definim vidul prin absenta totala a materiei, dar la nasterea Universului, cand materia nu exista inca, era doar o agitatie si-o succesiune frenetica de creatie si disparitie a particulelor de tot felul. Datorita acestui fenomen a luat fiinta materia pe care o cunoastem astazi.