Det var en gång, för nästan 14 miljarder år sedan, en spektakulär händelse ägde rum.

Universum och allt det innehåller, inklusive materia, strålning, exotiska partiklar, och kanske ännu mer abstrakta begrepp som tid och fysiska lagar, kom till.

Genom att studera hur universum har utvecklats genom tiden, det är möjligt att "beräkna baklänges" och bilda sig en bild av de fysiska förhållandena en miljard år, tusen år, en dag, en sekund, eller en nanosekund efter Big Bang. Ju längre tillbaka i tiden, ju mer extrema förhållandena var, och ju snabbare universum utvecklades.

Men det är en sak att förstå ekvationerna som beskriver temperaturen, eller skapandet av nya partiklar, eller något annat. Hur skulle det kännas att faktiskt bevittna det? Hur skulle det se ut? Vad skulle du uppleva?

Låt oss ta reda på. Vi måste först utrusta vår observatör – låt oss kalla henne Alice, när jag just nu lyssnar på låten "Alice" av Tom Waits, och eftersom det är ett populärt namn för offer för tankeexperiment — med en magisk rymddräkt ^TM , klarar extrem värme, tryck, densitet, strålning, och stretcha. Hon kommer också att behöva ett par solglasögon, för tills universum var en miljon år gammalt var det bländande ljust.

Du kan följa Alices resa i den interaktiva grafiken nedan. Men innan vi ger oss av, vi måste fastställa några saker.

Hur vet vi vad som hände?

Eftersom ljus inte färdas oändligt snabbt, vi ser allt som det var förr. När du kollar din telefon, du tittar en nanosekund tillbaka i tiden, eftersom det är hur lång tid det tog för ljuspartiklarna att färdas 30 centimeter. När du tittar på månen, du ser en bra sekund tillbaka i tiden, eftersom månen är 400, 000 kilometer bort. Och när du observerar en galax en miljard ljusår bort, du tittar faktiskt en miljard år tillbaka i tiden.

Vi kan mäta densiteten, temperatur, och andra fysiska storheter i universum. Att observera galaxernas hastighet säger oss att universum expanderar. Om vi ​​räknar baklänges, vi kan räkna ut de fysiska förhållandena under tidigare epoker.

På det här sättet, vi är faktiskt ganska säkra på vad som hände hela vägen tillbaka till mindre än en sekund efter Big Bang. Detta beror på att vi inte bara kan beräkna, men också utföra experiment i enorma partikelacceleratorer som CERN, att återskapa de förhållanden som rådde vid den tiden, och bekräfta att vi inte har helt fel.

Men vi vet ingenting om den allra första bråkdelen av en bråkdel av en sekund – den så kallade "Planck-epoken". Just nu, förhållandena var så extrema att fysiska lagar bryts ner. Kanske är det inte ens vettigt att tala om rum och tid vid denna tidpunkt i universums historia. Hur stort är universum?

Oändligt... Kanske...

Vi vet inte hur stort universum är. Vi kan bara se den del av den från vilken ljuset har hunnit nå oss. Denna del kallas "det observerbara universum, "och eftersom universum är 13,8 miljarder år gammalt, man kan tro att vi kan se 13,8 ljusår åt alla håll. Men eftersom det expanderar, den är något större, faktiskt drygt 46 miljarder ljusår.

Vi antar, även om vi inte är säkra, att universum utanför vår lilla bubbla fortsätter för evigt. Om det är sant, då "föddes" den oändligt stor. Även om det faktiskt är fysiskt vettigt att prata om ett oändligt stort universum som växer eller krymper, det är utan tvekan svårt att visualisera. Så vi överväger normalt storleken på det observerbara universum istället.

Det är viktigt att veta att oavsett storleken på universum, Big Bang var inte en "explosion" i den meningen att en tät klump av materia började spridas ut genom rymden. Snarare, det var skapandet av rymden, och kanske tiden själv, och den efterföljande expansionen av detta utrymme.

Detta väcker frågan, "vad expanderar den i?" och "vad är utanför?" Det är svårt att föreställa sig ett oändligt universum som expanderar, än mindre ett ändligt universum som inte är inbäddat i något större dimensionellt utrymme. Men ändå, det är vad vi tror händer. Med andra ord, den expanderar helt enkelt "i sig själv".

Nu, med "Cosmology 101" ur vägen, låt oss återförenas med Alice när hon börjar sin resa.

Inflation i mörkret

Som nämnts ovan, vi vet ingenting om den allra första bråkdelen av sekunden. Vi vet, dock, att allt var extremt tätt, eftersom det som senare kommer att bli vårt observerbara universum vid denna tidpunkt är mindre än en atomkärna.

Först, gravitation skapas, och sedan den "starka" kärnkraften. Vissa exotiska partiklar faller ut från denna extrema energitäthet, inklusive Higgs boson, som är ansvarig för själva begreppet massa.

Men till en början, Alice uppskattar inte något av detta inferno. Ljus har ännu inte skapats, så till henne, allt är mörkt.

Plötsligt, rymden själv börjar expandera exponentiellt snabbt.

Denna era kallas "inflation, "och när det stannar, vad som senare kommer att bli det observerbara universum har, på en bråkdel av en sekund, växt från att vara mindre än en atomkärna till 20 meter i diameter. Det är fortfarande bara storleken på ett hus, men relativt sett har universum växt lika mycket under denna bråkdel av en sekund som det har gjort sedan dess.

Vad som än finns i rymden måste följa expansionen. Förutom Alices magiska rymddräkt förstås, och vilken tur, för utan det hennes huvud och fötter, som vid denna tidpunkt är mycket större än det observerbara universum, skulle slitas 20 miljarder ljusår från varandra.

Efter inflationen, allt fortsätter att expandera. På samma gång, temperaturen sjunker. Det är som när gasen från en släckt tändare känns kall:Gasen komprimeras inuti tändaren men när den kommer ut, det expanderar och svalnar.

...och det var ljus

Under inflationen, universum underkyles kort från en miljard miljarder miljarder grader, till nästan absoluta noll. Men när inflationen är över, precis som Alice tänker "Brrr... det kanske börjar bli lite för kallt, " den så kallade återuppvärmningsprocessen ökar temperaturen igen till 10 miljarder biljoner grader. Vid denna tidpunkt, nya arter av partiklar skapas, inklusive ljus i form av fotoner.

Eftersom temperaturen är så otroligt hög, alla partiklar är mycket energirika, och de allra flesta fotoner är därför gammastrålar. Men en liten del av ljusspektrumet sträcker sig över röntgenstrålar, ultraviolett ljus, och synligt ljus, som är mest intressant för Alice.

Så, vilken är den första färgen som Alice observerar? Vilken färg hade Big Bang?

Termen "färg" är i själva verket ett psykologiskt begrepp. Färgen som hjärnan uppfattar beror på fördelningen av ljus i de tre våglängdsområdena som avkänns av ögonens koner, nämligen röd, grön, och blått.

Om något avger ljus för att det är varmt, du kan beräkna dess spektrum och sedan räkna ut dess färg i rött, grön, och blått. Alice själv är inte så varm, så hon sänder mest ut i det energisvaga infraröda ljuset, och ett mänskligt öga är inte tillräckligt känsligt för att uppfatta den lilla delen av det som sitter i det synliga spektrumet.

En bit varm, glödande järn avger mest i rött. Om det blir riktigt varmt, den avger ungefär lika mycket i både rött, grön, och blått, och det tolkas av hjärnan som "vitt ljus".

Om temperaturen är tillräckligt hög, spektrumet toppar i det blå, och inom gränsen för en oändlig temperatur, färgen närmar sig en safirblå nyans.

Således, vad Alice ser omkring sig är det safirblåa av denna varma kvarg-gluon plasmasoppa, som visas i bilden nedan.

Alices rymddräkt är givetvis utrustad med en elektronisk färgmätare, och hon mäter universums färgmättnad till 63 procent, 71 procent, och 100 procent i rött, grön, och blått, respektive.

Det är, hon skulle om det hade fungerat, men universum är fortfarande bara 1/100 av en miljondel av en biljondel av en biljondel av en sekund gammal, och el finns inte ännu.

Alice måste vänta en hel pikosekund (0,000000000001 sekunder) innan den elektromagnetiska kraften skapas. Det låter kanske inte som en lång väntan, men som med allt i rum och tid, allt är relativt. För Alice, denna extra väntetid är lika med hundra kvintiljoner gånger längre än hela hennes restid hittills.

Alice går upp i vikt

Just nu, den "svaga" kraften skapas också. Detta betyder att universums alla fyra krafter nu är etablerade, de andra tre är den elektromagnetiska kraften, allvar, och den "starka" kraften.

Strängt talat, alla dessa krafter existerade redan, men de slogs samman som en enda enhetlig kraft tills de började separera i sina "individuella" styrkor.

Med dessa fyra krafter på plats, partiklar kan nu interagera med Higgs boson och därmed få massa. För Alice, det betyder att hon nu väger något. Men eftersom perversa modestandarder inte kommer att existera på ytterligare 13,8 miljarder år, hon är inte så besvärad av denna plötsliga viktökning.

Klumpar i soppan

Alices omgivning är ganska tråkig; allt är helt jämnt fördelat, så oavsett var hon tittar, hon ser samma sak.

Men vänta... små oegentligheter bildas av den kvantmekaniska osäkerhetsprincipen, som säger att det finns en grundläggande nedre gräns, när det gäller hur exakt det är vettigt att vara när man talar om ett objekts position.

Kvantmekanik beskriver processer i mycket liten skala, från atomernas storlek och därunder. Men på grund av den extrema expansionen, de små inhomogeniteterna pumpas upp till ansenliga proportioner.

Och vilken tur. Hade allt varit helt smidigt, det skulle för alltid förbli så. Men istället, det finns aldrig så små klumpar som väger lite mer än omgivningen och därför kan dra på sig lite mer materia. Detta tillåter dem att växa och så småningom bilda strukturen i universum som förvandlas till galaxer, stjärnor, planeter, och slutligen, oss.

Mörk materia till undsättning

Men kan materia klumpa sig tillräckligt, innan expansion drar det för långt isär? (Spoiler alert:Ja, annars skulle du inte läsa det här.)

Faktiskt, om det enda som fanns var det som Alice kan se, då kunde detta inte hända. Men som tur är, för varje gram materia finns det ungefär fem gram av någon annan, osynlig materia som ger den extra gravitationen som behövs för att låta materia klumpa ihop sig. Vi kallar detta, mörk materia.

Universum har nu svalnat till 10 miljoner miljarder grader och är ungefär lika stort som avståndet från jorden till solen idag. Klumpen som en dag kommer att förvandlas till Vintergatan är 100 kilometer i radie, ungefär lika stor som Sierra Leone.

Universum saktar ner

Universum fortsätter att expandera på grund av hastigheten det uppnått av inflationen, men expansionshastigheten avtar långsamt på grund av den ömsesidiga attraktionen av alla partiklar.

Dock, till och med en hel nanosekund efter Big Bang, expansionen är så snabb att föremål mer än en meter från Alice, flyttar bort från henne snabbare än ljusets hastighet. Bara en mikrosekund senare, det är tillräckligt kallt för att kvarkar har gått samman för att bilda neutroner och protoner.

Universum är nu lika stort som solsystemet, men densiteten av materia och strålning är fortfarande 1, 000 gånger högre än en neutronstjärna, det mest kompakta som finns idag.

Onda tvillingar

Alice ser nu inte bara partiklar, men också antipartiklar som uppstår.

En antipartikel är som partikelns onda tvilling, och om en partikel möter sin antipartikel upphör de båda att existera och nya partiklar skapas. Några av dessa nya partiklar är fotoner – ljus.

Av skäl som vi ännu inte förstår, för varje 10 miljarder antipartiklar som fanns fanns det 10 miljarder och en partikel, ge eller ta.

Vid en hög ålder av en sekund, universum har nu svällt till 10 ljusår i radie, och alla antiprotoner har förintats med protoner, antineutroner med neutroner, och så vidare. Det lilla överskottet av "normala" partiklar är det som idag utgör det synliga kosmos.

Varmt och ljust, med risk för imma

Ytterligare tio sekunder går och elektroner och antielektroner är uppe. Universum har nu svalnat till några miljarder grader, men eftersom 99,99999999 procent av alla partiklar omvandlas till rent ljus, universum flammar plötsligt med ett bländande ljus.

I början av detta partikeläter-partikelinferno, tätheten är så hög att Alice bokstavligen inte kan se en hand framför sitt ansikte eftersom ljuset ständigt sprids av elektronerna.

Men när helt plötsligt majoriteten av elektronerna försvinner in i (safir)blått, sikten ökar till... trumma snälla... hur stor kan den vara? En gazillion ljusår?. Ah, Nej, 20 meter. Inte särskilt imponerande. Men det spelar egentligen ingen roll eftersom det inte finns så mycket att se ännu i alla fall:bakom den dimmiga slöjan är det, väl, bara mer av samma.

Efter några minuter, temperaturen har sjunkit under en miljard grader, och en viktig epok i universums historia börjar – nukleosyntes. Det är nu tillräckligt kallt att protoner, som i själva verket är detsamma som väte, säkring för att bilda tyngre element.

Ack, lycka är kortvarig:universums täthet minskar på grund av expansion, och 15 minuter gammal, den har ungefär samma densitet som vatten på jorden. Nukleosyntesen går mot sitt slut.

Än så länge, bara helium och lite litium har hunnit bildas. Alla tyngre atomer kommer inte att bildas på hundratals miljoner år, i stjärnor och deras dödsexplosioner.

Det är allt, folk. Efter bara en kvart Big Bang är över, och nu händer ingenting på tusentals år.

Varje gång en neutral atom försöker bildas, elektronen slits omedelbart av av en högenergisk foton. Men vid 380, 000 år gammal, universums temperatur har sjunkit till 3, 000 grader, har fått en fin orange-röd nyans, och är tillräckligt kall för att väteatomer kan förbli neutrala.

Följaktligen, den dimmiga elektronslöjan lyfts och ljus flyr – frikopplas – från materien.

Efterglöden från Big Bang

Universum är nu nästan en miljon ljusår i diameter, och ljus strömmar fritt genom hela universum, som det har gjort sedan dess.

Klumparna av materia som Alice såg bildas har vuxit sig större, men är vid tidpunkten för frikopplingen fortfarande mycket små; de tätaste områdena är 1/100, 000 gånger tätare än de mest utspädda regionerna. Ändå, detta räcker för att strålningen som släpps inte ska uppvisa samma våglängd överallt.

Och detta ljus – det lite oregelbundna efterskenet från Big Bang, känd som "den kosmiska mikrovågsbakgrunden" - är nu det mest avlägsna vi kan se. Mycket av det vi vet om Big Bang, och universum i allmänhet, vi har hämtat från att studera detta ljus.

Big Bang tidslinje (och universums historia)

Alice har haft sitt livs tid och kan nu lägga tillbaka rymddräkten och solglasögonen på hyllan.

Om du under tiden har tappat koll på rum och tid, du hittar en utökad grafisk tidslinje för Big Bang (och resten av universums historia) här.

När jag skrev den här artikeln har jag skrivit en kod som heter tidslinje som beräknar egenskaperna (storlek, temperatur, Färg, expansionshastighet, och mer) av universum vid olika tidpunkter i dess historia. Koden är skriven på språket Python, och kan hämtas här.

Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av ScienceNordic, den pålitliga källan för engelskspråkiga vetenskapsnyheter från de nordiska länderna. Läs originalberättelsen här.