Alam semesta purbaapa yang terjadi tepat setelah Dentuman Besar

Pada saat pertamanya, alam semesta mengalami pemisahan gravitasi, zaman penyatuan agung, inflasi, pemanasan ulang, dan pecahnya simetri elektrolemah. Langkah kuncinya adalah inflasi: ruang mengembang 10²⁶ kali lipat, lalu medan inflaton meluruh dan energi vakumnya berubah menjadi partikel dan radiasi. Baru setelah itu alam semesta yang panas benar-benar dimulai.

Makin dekat ke awal, makin kita bergantung pada teori ketimbang pengamatan langsung. Sebagian dari yang berikut sudah dikonfirmasi pengamatan dan sebagian masih kerangka teori, jadi ingatlah perbedaan itu saat membaca.

Tujuh tahap pertama

• 10⁻⁴³ s · Zaman Planck: Waktu dan ruang mulai bermakna. Sebelum ini, kata seperti "sebelum dan sesudah" atau "dekat dan jauh" belum berlaku.
• 10⁻⁴³ s · Gravitasi memisah: Gravitasi lepas dari gaya terpadu dan menjadi interaksi tersendiri.
• 10⁻³⁶ s · Zaman penyatuan agung: Gaya kuat, lemah, dan elektromagnetik masih satu, seperti satu cat yang belum dituang ke tiga botol.
• 10⁻³⁶ s · Inflasi kosmik: Ruang mengembang 10²⁶ kali lipat. Yang merenggang adalah ruang itu sendiri, bukan benda-benda di dalamnya yang beterbangan ke segala arah.
• 10⁻³² s · Berakhirnya inflasi: Medan inflaton meluruh.
• 10⁻³² s · Pemanasan ulang: Energi vakum berubah menjadi partikel dan radiasi. Inflasi membuat alam semesta besar dan dingin; pemanasan ulang melepaskan energi yang tersimpan, yang menjadi sumber semua materi dan cahaya sesudahnya.
• 10⁻¹² s · Pecahnya simetri elektrolemah: Medan Higgs memberi massa pada partikel, dan partikel berbeda mulai punya "bobot" masing-masing.

Alam semesta yang mengembang: dari teori ke pengamatan

Bahwa alam semesta mengembang pertama kali disimpulkan secara teori, dan tiga makalah saling mengoper tongkat estafet. Alexander Friedmann menunjukkan dari relativitas umum bahwa alam semesta bisa mengembang atau menyusut, tujuh tahun sebelum bukti pengamatan (Friedmann, Zeitschrift für Physik, 1922). Georges Lemaître secara mandiri mengusulkan bahwa alam semesta mengembang dan kemudian membayangkannya bermula dari sebuah "atom purba", bentuk awal teori Big Bang (Lemaître, Annales de la Société Scientifique de Bruxelles, 1927). Pengamatan menyusul: makin jauh sebuah galaksi dari kita, makin cepat ia menjauh, jadi alam semesta tidak statis (Hubble, PNAS, 1929). Makalah Hubble berjudul "A relation between distance and radial velocity among extra-galactic nebulae". Makalah Friedmann membahas kelengkungan ruang, dan makalah Lemaître membahas alam semesta homogen bermassa konstan dan berjari-jari bertambah. Disandingkan, ketiga makalah itu mengikuti urutan "teori dulu, pengamatan sesudahnya".

Inflasi: mengapa alam semesta begitu datar dan seragam

Alan Guth mengusulkan bahwa alam semesta awal mengembang secara eksponensial, yang menjelaskan sekaligus mengapa alam semesta begitu datar dan suhunya nyaris sama di mana-mana (Guth, Physical Review D, 1981). Judul makalahnya, "Inflationary universe: A possible solution to the horizon and flatness problems", menyebut kedua teka-teki itu. Yang pertama bertanya mengapa daerah-daerah yang berjauhan punya suhu hampir sama; yang kedua bertanya mengapa alam semesta tampak begitu datar. Namun model aslinya punya cacat. Andrei Linde memperbaiki masalah bagaimana inflasi bisa berakhir dengan mulus, yang membuat teori inflasi bisa dipakai (Linde, Physics Letters B, 1982).

Alam semesta masih mempercepat hari ini

"Lilin standar" adalah sumber cahaya dengan kecerahan yang diketahui, seperti sebaris bohlam dengan daya sama: makin redup tampaknya, makin jauh letaknya. Peneliti memakai supernova jauh sebagai bohlam semacam itu dan menemukan bahwa pengembangan sedang dipercepat. Energi gelap masuk ke gambaran, dan karya ini meraih Hadiah Nobel 2011 (Riess dkk., The Astronomical Journal, 1998). Tim lain sampai pada kesimpulan yang sama secara mandiri: ada energi di alam semesta yang mendorong percepatan itu (Perlmutter dkk., The Astrophysical Journal, 1999). Satelit Planck memberikan parameter kosmologi paling presisi hingga kini: umur sekitar 13,8 miliar tahun, dengan materi biasa hanya sekitar 5% (Kolaborasi Planck, Astronomy & Astrophysics, 2020).

Dari mana massa berasal

Peter Higgs mengusulkan medan yang mengisi seluruh ruang dan memberi massa pada partikel, dan meramalkan sebuah partikel baru (Higgs, Physical Review Letters, 1964). Large Hadron Collider menemukan partikel baru pada sekitar 125 GeV, mengonfirmasi ramalan yang menunggu selama 48 tahun (Kolaborasi ATLAS, Physics Letters B, 2012). Ini sesuai dengan langkah pecahnya simetri elektrolemah di atas: medan Higgs memberi massa pada partikel.

Cara game menampilkannya

Dalam game, era Alam semesta purba dimulai pada "0 s setelah Big Bang" dan sumber dayanya adalah energi. Generatornya bernama Fluktuasi kuantum, Medan inflaton, Peluruhan vakum, dan Pemanasan ulang, dinamai menurut gagasan kunci di atas.