המפץ הגדול הוא מודל מוצלח של היקום. בגלל ההצלחה הזאת, האסטרונומים שואלים עד כמה אפשר "למתוח" את המודל. האם הוא יכול לתאר את שברירי השנייה הראשונים אחרי שהיקום נוצר? אם כן, היקום המוקדם הוא מעבדה שאין שנייה לה לחקר המבנה של החומר. ברגעים הראשונים של המפץ הגדול הגיעו הטמפרטורה והצפיפות לערכים קיצוניים, כשכל החומר ביקום היה דחוס במלחציים של הכבידה. האנרגיות האלה עולות על כל מה שאפשר לייצר במעבדות על כדור הארץ, והתנאים האלה עשויים לרמוז על כוחות היסוד של הטבע.
היקום המוקדם התנהג כמו גז חם מאוד. מספר הפוטונים עלה על מספר החלקיקים בערך פי מיליארד, ורוב האינטראקציות הונעו על ידי קרינה עזה, ולכן אומרים שבזמן הזה הקרינה שלטה ביקום. כשהיקום התפשט, אורך הגל של הקרינה נמתח, והפוטונים איבדו אנרגיה בגלל ההיסט לאדום הקוסמולוגי. דמיינו נפח כלשהו ביקום המוקדם. חלקיקים ופוטונים עתירי אנרגיה התנגשו והגיבו זה עם זה ללא הרף. עם הזמן, התפשטות המרחב גרמה לפוטונים לאבד אנרגיה ולעבור היסט לאדום לאורך גל ארוך יותר. מכיוון שהחלקיקים והפוטונים היו בשיווי משקל, גם לחלקיקים היה פחות אנרגיה. בהתחלה הכבידה הייתה חלשה מדי כדי לגרום לעצמים להיווצר. הקרינה שלטה בכיפה.
מתי איבדה הקרינה את מעמדה הרם ביקום המוקדם? כשהטמפרטורה ירדה, החומר נעשה הרכיב השולט. אפשר לקשר את הטמפרטורה היורדת של היקום לאורך הגל ההולך וגדל של הקרינה בעזרת חוק וין. זו דוגמה טובה לתחולה הרחבה של חוקי הפיזיקה – אותו יחס שמתאר כוכבים מתאר גם את היקום כולו! שנה אחרי המפץ הגדול הייתה הטמפרטורה כמה מיליוני קלווין, והקרינה התרמית של היקום הייתה קרינת רנטגן. אחרי כמה מאות שנים, בטמפרטורה של כ-100,000 קלווין, הקרינה נמתחה והפכה לקרינה אולטרה-סגולה. כשהמרחב התפשט, מספר הפוטונים והחלקיקים בכל נפח נשאר זהה, אבל הפוטונים איבדו אנרגיה נוספת בגלל ההיסט לאדום. לכן צפיפות האנרגיה של הקרינה ירדה מהר יותר מצפיפות האנרגיה של החומר כשהיקום התפשט. כ-50,000 שנה אחרי המפץ הגדול החל החומר לשלוט ביקום. מהזמן הזה והלאה, החומר שלט בכיפה.
אחרי שהחומר נעשה הרכיב השולט ביקום, החומר והקרינה הלכו בדרכים נפרדות. אחרי 380,000 שנה ירדה הטמפרטורה לכ-3,000 קלווין, והקרינה התרמית מהמפץ הגדול עברה היסט לאדום לתחום האינפרה-אדום הקרוב והאור הנראה. בסביבות 380,000 שנה אחרי המפץ הגדול, כבר לא הייתה לקרינה מספיק אנרגיה כדי למנוע מהאלקטרונים, בעלי המטען השלילי, ומהפרוטונים, בעלי המטען החיובי, להתחבר לאטומי מימן יציבים. חלקיקים חופשיים מגיבים עם פוטונים ביעילות רבה, אבל אטומי מימן יכולים לבלוע ולפלוט אור רק בכמה אורכי גל מסוימים, שמתאימים למעברים בין רמות האנרגיה של האלקטרון היחיד. כשהאינטראקציות מוגבלות כל כך, החומר והקרינה מתחילים "להתעלם" זה מזה. ההיפרדות הזאת בין החומר לקרינה נקראת "ניתוק" (decoupling).
ההשפעה הדרמטית ביותר של הניתוק הייתה שהיקום נעשה שקוף. חשבו על ענן. ענן אטום לאור, כי האור שבתוכו ניתז מטיפות מים זעירות רבות. נראה שלענן יש שפה חדה, אבל בעצם הטמפרטורה והצפיפות שלו משתנות בהדרגה רבה מבפנים החוצה. בנקודה מסוימת צפיפות טיפות המים יורדת עד כדי כך שהאור כבר אינו מגיב איתן. מהנקודה הזאת האור זורם אלינו ישירות, ואנחנו רואים שפה. גם השפה הנראית של כוכב כמו השמש נוצרת מאותו אפקט. הנה עוד דוגמה לתחולה הרחבה של הפיזיקה – מושג האטימות מתאר לא רק את שפת הכוכב, אלא גם את המעבר של היקום המוקדם לשקיפות! אחרי הניתוק, פוטוני המפץ הגדול אינם מגיבים עם החומר, ולכן הם נעים בחופשיות, והיקום שקוף. מאז 380,000 שנה אחרי המפץ הגדול לא השתנו הפוטונים האלה, מלבד ההיסט לאדום בגלל ההתפשטות. לכן קרינת הרקע הקוסמית היא שריד אמיתי של התנאים ביקום כשהיה רק 0.003% מגילו היום.
קרינת הרקע הקוסמית ממלאת את כל המרחב, ולכן היא מספקת את נקודת הייחוס האולטימטיבית לכל התנועות ביקום. המדידות מראות שקרינת המיקרוגל חמה בכ-0.0035 קלווין מהממוצע בכיוון אחד, וקרה באותו שיעור בכיוון ההפוך. אי-הסימטריה הזאת שונה מאוד מהתנודות הקטנות בהרבה, שהן הזרעים להיווצרות הגלקסיות. זה אפקט דופלר של ממש, שנובע מכך שכדור הארץ אינו נח. אנחנו נעים במהירות 371 ק"מ בשנייה ביחס לקרינת הרקע הקוסמית – התנועה האמיתית שלנו ביקום.
עקרונית, אם האסטרונומים יחפשו מספיק רחוק מכדור הארץ, הם אמורים למצוא קבוצה של גלקסיות שאינן סוטות מההתפשטות החלקה של היקום, ונחות ביחס לקרינת הרקע. כדור הארץ מסתובב סביב צירו ומקיף את השמש, והשמש מקיפה את מרכז שביל החלב. שביל החלב נמשך לעבר M31 (אנדרומדה) במהירות של כ-100 ק"מ בשנייה, וכל החבורה המקומית נופלת לעבר צביר בתולה במהירות של כ-220 ק"מ בשנייה. ולא רק זה: צביר-העל המקומי כולו נע לעבר קבוצה רחוקה יותר של גלקסיות. מספיק כדי לגרום לסחרחורת. אבל בקני מידה של יותר מ-100 מגה-פרסק אפשר למצוא קבוצה של גלקסיות שאין לה תנועה כוללת ביחס לקרינת הרקע. הגילוי הזה מרגיע מאוד, כי הוא אישוש לעיקרון הקוסמולוגי: בקני מידה גדולים מאוד, תנועות הגלקסיות ביקום איזוטרופיות.
→ הסעיף הקודם: 17.21 מרחב-זמן | הסעיף הבא: 17.23 היקום המוקדם מאוד ←