今天,我們所看到的宇宙是浩瀚無垠的,但它并非總是如此。在遙遠的過去,它有一個開端,在它誕生的最初三分鐘,發生了許多有趣的事情。為了描繪一幅完整的圖景,科學家不斷地發展更好的理論,并且通過極其強大的粒子對撞機、望遠鏡和衛星等技術來探索和觀測這個宇宙。雖然還有許多的問題等待著被揭開,但我們對宇宙的歷史已經有了一個非常好的描述。現在,讓我們首先回到宇宙誕生之后的最初時刻……
普朗克時期
時間:< 10??3秒

理論物理學家對普朗克時期所發生的事情知之甚少。在大爆炸理論大受歡迎之后,科學家們認為,宇宙在最初的時刻是處于一種溫度和密度最大化的狀態。那時,宇宙中只有一種統一的基本力,之后才分裂成今天已知的四種基本力(電磁力、弱核力、強核力和引力)。
宇宙的膨脹
時間:10??3秒~10?3?秒

科學家認為宇宙在這個階段經歷了指數式的膨脹,這個過程被稱為暴脹。物理學家在20世紀80年代首次提出暴脹理論,為的是要解決大爆炸理論的一些不足之處。在當時,大爆炸理論雖然很受歡迎,卻不能解釋為什么宇宙為何如此平坦和均勻,也不能解釋為什么宇宙的不同部分會同時開始膨脹。
在暴脹期間,量子漲落可能會伸展開來而產生一種模式,這種模式在后來決定了星系的位置。也許只有在這段暴脹期之后,宇宙才會像大爆炸理論所描述的那樣,變成一個熾熱又致密的火球。
基本粒子的誕生
時間:~10?3?秒

當宇宙還很熱時,它就像是一個巨大的加速器,一個比大型強子對撞機(LHC)強大得多的加速器。在這個以極高能量運行的巨型“加速器”中,那些我們現在所知道的基本粒子誕生了。
科學家認為,首先出現的是奇異粒子,然后是一些更熟悉的粒子,比如電子、中微子和夸克。暗物質粒子也可能是在這段時間出現的。夸克很快就結合了起來,形成我們熟悉的質子和中子,它們被統稱為重子。中微子能夠逃離這些帶由電粒子組成的等離子體湯,開始在空間中自由移動,而光子則繼續被束縛在這個等離子體中。
第一批原子核的出現
時間:~1秒~3分鐘

當宇宙冷卻到足以讓猛烈的碰撞平息下來時,質子和中子就聚集成了一些輕元素(氫、氦、鋰)的原子核,這一過程被稱為大爆炸核合成。與中子相比,質子有著更小的質量,因此它們比中子更加穩定。自由中子衰變的半衰期為15分鐘,而迄今為止,我們還沒有發現質子衰變的證據(擴展閱讀:《9秒之謎》)。
所以當粒子結合時,許多質子仍然沒有配對。由此所導致的結果就是,氫原子,即那些沒能找到“伴侶”的質子,占我們宇宙中“正常”物質質量的74%左右。第二豐富的元素是氦,約占24%,其次是微量的氘、鋰和氦-3。
科學家已經能夠精確地測量宇宙中的重子密度。測量的數據大多與理論家的理論估計相符,但有一個問題卻揮之不去:鋰含量的計算結果與測量結果相差了三倍。可能是測量數據有誤,但也可能是在這段時間里,發生了一些改變了鋰的豐度的未知事件。
宇宙微波背景變得可見
時間:380000年

在暴脹發生的幾十萬年之后,粒子湯已經冷卻到足以使電子與原子核結合形成電中性的原子。這個過程被稱為復合,通過復合過程,光子得以自由地穿梭于宇宙之中,創造了宇宙微波背景(CMB)。
今天,當宇宙學家探索宇宙的深處,找尋如膨脹的本質、物質-反物質的不對稱之謎等懸而未決的問題的答案時,宇宙微波背景輻射就是他們擁有的最有價值的工具之一。在探測到宇宙微波背景輻射后不久,中性的氫粒子就形成了充滿宇宙的氣體。由于沒有任何物體能發射出高能量的光子,宇宙因此陷入了數百萬年的黑暗時代。
最早的恒星開始閃耀
時間:~1億年

隨著第一批恒星的形成和再電離(也就是高能光子從中性氫原子中剝離電子的過程)的出現,黑暗時代結束了。科學家認為,絕大多數的電離光子來自于最早的恒星。但是其他的一些過程可能也起到了一定的作用,比如暗物質粒子之間的碰撞。在這個時候,物質開始形成第一批星系。我們所在的銀河系就包含誕生于宇宙只有幾億歲時的恒星。
太陽的誕生
時間:92億年

銀河系中包含幾千億顆恒星,我們的太陽正是其中的一顆。科學家認為,它主要由氫和氦組成的巨大氣體云所形成的。伴隨著太陽誕生的還有行星、小行星等。最終,在一個藍色的星球上孕育出了智慧生命。
此時此刻
時間:138億年

如今,我們宇宙的溫度處于2.7開爾文(零下270.42攝氏度)的低溫狀態,它正在以一種速率遞增的方式膨脹,雖然有點類似于暴脹,但要比暴脹慢很多。物理學家認為,最有可能推動宇宙加速膨脹的是一種神秘的排斥力——暗能量,目前它占宇宙總質量和能量的68%。
參考鏈接:
https://www.symmetrymagazine.org/article/a-universe-is-born
文章來源:原理
IEEE Spectrum
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