Het grote unificatie tijdperk

Het Universum is ontstaan in het Planck tijdperk. In deze periode waren de vier fundamentele natuurkrachten nog verenigd in één oerkracht. Dit tijdperk heeft geleid tot een proces dat spontane symmetriebreking wordt genoemd; het ontstaan van de fundamentele natuurkrachten uit de enkele oerkracht die destijds bestond. Het afsplitsen van de fundamentele natuurkrachten van de oerkracht gebeurde in meerde stappen; de eerste stap begon in het grote unificatie tijdperk.

Inhoud

De theorie van alles

De theorie van alles, ook wel de grote unificatietheorie genoemd, is een (nog niet bestaande) theorie die de vier fundamentele natuurkrachten in de natuurkunde met elkaar verenigt. Er wordt namelijk verwacht dat deze fundamentele natuurkrachten een nóg fundamentelere ondergrond hebben; de fundamentele oerkracht. Het komt erop neer de vier natuurkrachten bij enorm hoge energieën als het ware samensmelten tot deze oerkracht. Het is niet mogelijk om de voorspelde energieën met onze huidige deeltjesversnellers te bereiken. Vlak na de Oerknal was de energiedichtheid van het Universum echter wél voldoende om de vier natuurkrachten te doen samensmelten.

De eerste afsplitsing

Ongeveer 10^-43 seconde na de Oerknal, aan het einde van het Planck tijdperk, splitste de zwaartekracht zich af van de verenigde oerkracht. Dit proces heeft spontane symmetriebreking en is een gevolg van de dalende energiedichtheid van het universum; aan het begin van het grote unificatie tijdperk was de temperatuur van het Heelal gedaald naar ongeveer 10²⁷°C, terwijl de grootte ervan slechts 10^-34 was.

Nadat de zwaartekracht zich had afgesplits van de verenigde oerkracht, waren de andere drie fundamentele natuurkrachten nog steeds verenigd in een zogenaamde elektronucleaire kracht (in het engels: 'electronuclear force'), die zich later zou afsplitsen in de elektromagnetische kracht, en de sterke- en zwakke kernkracht.

Spontane symmetriebreking

Spontane symmetriebreking is een moeilijk te omschrijven proces. Er zijn echter wel analogieën om een beter beeld van dit proces te krijgen. Een goed voorbeeld is het ontstaan van een sneeuwkristal. Sneeuwkristallen bestaan uit ijs, en ijs bestaat uit H₂O (waterstof en zuurstof) moleculen. In een geïsoleerde toestand zijn waterstof- en zuurstof moleculen erg symmetrisch. De elektrische kracht die hun acties als atomen regelt, is ook een symmetrische kracht. Maar wanneer twee waterstofatomen en een zuurstof atoom samen een watermolecuul vormen, wordt de originele symmetrie van het atoom verbroken. Wanneer dit watermolecuul bevriest, om zo een sneeuwkristal te vormen, krijgt dit molecuul weer een andere vorm van symmetrie. Omdat deze symmetriebreking gebeurt zonder externe tussenkomst, zeggen we dat het hier gaat om een spontane symmetriebreking.

Het enige wat hier nodig was voor de spontane symmetriebreking, was het dalen van de temperatuur. Dit was ook bij het afsplitsen van de zwaartekracht het geval; naarmate het Universum afkoelde begon er vanzelf spontane symmetriebreking op te treden, en splitste de (symmetrische) oerkracht zich af in de andere (minder symmetrische) natuurkrachten. Door een sneeuwkristal te verwarmen (dus te laten smelten) kan de symmetriebreking weer ongedaan worden gemaakt. Dit is precies wat ook verwacht wordt van de vier natuurkrachten; bij extreem hoge energieën zullen deze weer samensmelten tot één verenigde oerkracht.

Het einde van het grote unificatie tijdperk

Naarmate het universum uitdijde bleef de temperatuur dalen. Dit resulteerde in een belangrijke nieuwe stap in de ontwikkeling van het heelal: de elektronucleaire kracht (een unificatie van de elektromagnetische kracht, en de sterke- en zwakke kernkracht) ging zich opnieuw opsplitsen in twee andere krachten. 10^-36 na het ontstaan van het Heelal kwam het grote unificatietijdperk tot een eind, en begon het zogenaamde elektrozwakke tijdperk (ook wel inflatie tijdperk genoemd). In dit tijdperk splitst de sterke kernkracht zich af van de elektronucleaire kracht, en zijn er in totaal drie fundamentele natuurkrachten.