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物质不能凭空产生,也不能凭空消失,那宇宙的物质都是哪里来的?

我们如今宇宙中的一切物质都来自于宇宙大爆炸之后的3分46秒内,著名的物理学温伯格曾经写过一本著名的科普书《最初三分钟》,在这本书当中就详细讲述了在这3分钟46秒内发生的一切。


那具体是咋回事呢?


质能等价

我们要从爱因斯坦说起,在1905年,爱因斯坦发表了四篇开创性的论文,这四篇论文中最后一篇被称为质能等价。质能等价描述的是质量和能量之间的等价关系,爱因斯坦通过E=mc^2的方程统一了质量和能量,他认为质量和能量其实是一个东西的两个面,质量里还有能量,能量里还有质量。比如:物体的质量是m,那这个物体就对应了mc^2的能量。


在1905年的那篇论文当中,爱因斯坦开头就提到:若一个物体以辐射形式发射能量L,它的质量减少L/c^2。


所以,某种程度上来看,物质本身就是能量的,或者我们也可以说是质量的,还有的人会把物质看成是极度被压缩的能量形式。


广义相对论

到了1915年,爱因斯坦提出了著名的广义相对论,在这个广义相对论当中有个著名的引力场方程。爱因斯坦就发现引力场方程预示着宇宙正在膨胀,这其实和他的“静态宇宙”的宇宙观是相互背离。于是,他在引力场方程中添加了一个宇宙学常数,只要将宇宙学常数进行合理地取值,可以抵消掉这个膨胀效应。


但是,很多事情并不能凭借一厢情愿,爱因斯坦就吃了这个亏。后来哈勃就观测到了宇宙中大多数的星系都在发生红移效应,这预示着星系都在远离我们。哈勃还为此提出了哈勃定律来进行描述。进一步分析,我们就发现,宇宙其实就是在膨胀。


根据哈勃的发现,我们往回推,就可以得到宇宙应该有一个起点。但是宇宙从起点,一直持续至今到底是什么样子?


这其实让很多科学家都束手无策,直到一群粒子物理学加入到了构建这个宇宙模型的行列当中来,其中这当中的佼佼者就是伽莫夫、罗伯特·迪克等人。而他们构建的起了的这个模型就是大名鼎鼎的宇宙大爆炸模型。


他们用粒子物理描述了宇宙中早期的演化,并且提出了两个关键证据来证明自己的理论,一个是宇宙微波背景辐射,一个是氦元素的丰度。


后来,科学家相继证明了两者都和预言比较吻合。而宇宙微波背景辐射如今成为了天文学家人手一份武功秘籍,关于宇宙微波背景辐射就颁了三个诺贝尔物理学奖,两个给到了探测宇宙微波背景辐射的项目,另一个则是2019年的诺贝尔物理学奖,给到是理论方。


从这时开始,宇宙大爆炸才成为了主流的科学理论。


宇宙早期物质粒子的形成

而这些科学家构建的这个模型就阐述早期宇宙的演化,也阐明了物质到底是如何演化而来的。具体来说是这样的,宇宙诞生于138亿年前的一次大爆炸。


宇宙大爆炸的早期,宇宙温度极其高,温度高达1.4亿亿亿亿度,其中都是光和热。。宇宙开始剧烈的膨胀,温度开始快速地下降。而如今的物质大多数都是在这个时候形成的。那具体是如何形成的呢?


我们都知道,物质其实是由物质粒子构成的,比如:质子,中子,电子等。所以,我们只要搞清楚这些粒子到底如何来的就行。


科学家发现,在极其高温的状态下,这里指的是几十亿以上的温度。一对光子如何对撞,就会发生我们平时看不到的现象。这是因为光子的反物质就是它自身。当在这样高温状态下,一对光子对撞,就有机会撞出一对物质粒子,光子的能量会转化为物质粒子的质能,多余的能量作为转化为物质粒子的动能。


所以,这些物质粒子说白了就是光子慢慢撞出来的。


其他物质粒子的构成

后来,到了宇宙大爆炸38万年后,温度下降到3000度左右,形成了原子结构。不过此时,宇宙中大部分的粒子都是氢原子和氦原子,它们占据了99%以上。后来,宇宙大爆炸后2亿年,在引力作用下逐渐形成恒星,恒星通过核聚变生成了大量铁元素之前的元素。


而铁元素之后的元素主要来自于超新星爆炸和中子星合并。


以上就是宇宙中各种物质粒子的由来,也就是它们组成了现在宇宙中的物质。


但其实这里还有一点并没有提及,那就暗物质粒子到底咋来的?事实上,我们现在还不得而知,这也是天文学和物理学研究的前沿。


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