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一個宇宙的誕生

時間:2024-01-11

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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