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宇宙中的物质是怎么出现的?

“花鸟虫鱼,金木水土”就是物质。物质是由分子、原子构成的。问:“宇宙中的物质是怎么出现的?”实际上就是在问:“宇宙中的原子是如何出现的?”

我们从宇宙诞生的时候开始讲。假设宇宙诞生的时候,对应时间的起点:t=0秒。随着宇宙的膨胀,温度逐渐降低,粒子能量(即粒子做无规则热运动的能量)也降低,基本相互作用逐渐解耦。

如果时间特别特别短,小于普朗克时间(10的-43次方秒),此时宇宙只有普朗克距离(10的-35次方米)大小,温度高达“10的32次方”开尔文,粒子热运动的能量为“10的19次方”GeV,在这个能量下,物理学家预测引力和其他三种力将统一起来,对应的理论叫万有理论(ToE)。

时间大于普朗克时间,能量将逐步降低,从万有理论(ToE)适用的区域过渡到大统一理论(GUTs)适用的区域。

时间从“10的-43次方”到“10的-35次方”秒,对应大统一理论描述的区域。

此时强作用和电弱作用是一个整体,宇宙中充满了“夸克和轻子”组成的汤,夸克和轻子自由地互相转化以至于我们无法区分它们(混沌一团)。此时,其他更重的粒子也可以自由地产生和湮灭。大统一理论的一个重要标志是重子数并不守恒。这样,在GUT的晚期,夸克数和反夸克数可能不相等。这将最终导致宇宙中物质的出现。

时间是“10的-35次方”秒的时候,温度降为“10的27次方”开尔文,粒子平均能量是“10的14次方”GeV。

此时,强力从电弱力中分离出去,重子数和轻子数分别开始守恒。这个过程可以类比为相变,比如水的沸腾。设想我们把一个重核“烧沸”,把粒子相互拉开超出核力起作用的范围。结果,宇宙会经历一个迅猛的膨胀——宇宙暴涨。根据理论预测,宇宙的尺度R在“10的-32次方”秒内将膨胀“10的50次方”倍。

“10的-32”秒时,宇宙是一个由夸克,轻子和中间玻色子(胶子,光子,和弱玻色子:W ,W-和Z0)组成的混合物。宇宙继续膨胀并冷却至“10的-6次方”秒,温度降为大约“10的13次方”开尔文,能量为约1GeV(与核子的静能量可以比较)。夸克将互相结合形成核子和反核子。此时,光子还有足够大的能量可以产生“核子-反核子”对以平衡“核子-反核子”湮灭的过程。

但,到约t=0.01秒时,大部分光子的能量将低于产生“核子-反核子”对的能量阈值。此时核子数略微多于反核子数。结果,反核子将与核子湮灭掉,剩下的将基本都是核子。

接下来一个类似的平衡将发生在“电子-正电子”对的产生和湮灭过程中。到大约t = 14秒时,粒子的平均能量降为大约1MeV,低于“电子-正电子”对产生的能量阈值。当“对产生”过程停止时,几乎所有剩下的正电子都将会被电子湮灭掉。此时宇宙中将基本上只剩下质子和电子。

到大约t=1秒时,中子和中微子可以通过以下耗能过程产生:

此后,大部分电子将不具备足够大能量使得上述反应发生。随着宇宙的膨胀,中微子的平均能量也在持续地减小,与此同时中微子的吸收过程也在逐渐减少,最后基本没有了。此时,中微子流和反中微子流在宇宙中穿来穿去几乎和宇宙中的其他物质不发生相互作用。

由于中微子几乎不被吸收,绝大部分中微子流今天还存在,当然伴随着宇宙的膨胀,它们已经大大地被冷却了。标准宇宙模型预测今天的中微子温度仅有大约2K,但迄今还没有试验验证上述预言。

在t=1秒时,质子和中子的比例由玻尔兹曼分布因子决定,

这里ΔE是中子与质子的静能量差:ΔE=1.294MeV。在温度大约“10的10次方”开尔文时,质子的数量是中子数量的大约4.5倍。与此同时,自由中子会自发地衰变为质子,半衰期为887秒。这个衰变使“质子-中子”比例继续上升,直到t=225秒时。此时温度是大约“10的9次方”开尔文,平均能量低于2MeV。

这个能量很关键,因为质子和中子结合为氘核的结合能是2.22MeV。当中子被束缚在氘核里面时不发生自发的衰变。当能量下降时,一个质子和一个中子会结合形成氘核,随着温度的降低,越来越少的氘核会重新解体为质子加中子。这样,通过质子和中子的结合将停止中子衰变的过程。

氘核在t = 225秒时的形成标志着原子核的形成,即核合成(nucleosynthesis)的开始。此时每个中子对应有7个质子。

氘(H-2)吸收一个中子后形成氚(H-3),或者它吸收一个质子后形成He-3。然后,H-3吸收一个质子,及He-3吸收一个中子,都可产生He-4(阿尔法粒子)。H-3和He-4聚合还可以形成少量的Li-7核。根据理论,今天宇宙中的H-1和He-4基本上就是在这一时期形成的。

但制造周期表上各种元素原子核的过程此时几乎就停止了,因为没有A=5的核素具有超过“10的-21次方”秒的半衰期。这意味着阿尔法粒子无法通过再吸收一个中子或质子变成更重的原子核。

两个He-4聚变可以形成Be-8,但Be-8是不稳定的,半衰期只有“7乘10的-17次方”秒。另外要注意,此时粒子的能量仍然太大,高于电子的束缚能,电子无法被束缚在原子核附近,即现在还没有原子。

进一步的核合成要在很久很久之后才会继续发生,在“10的13次方”秒(或38万年)后,此时温度降为大约3000开尔文,平均能量是数十电子伏量级。由于氢原子和氦原子的电离能分别是13.6eV和24.5eV,几乎所有的氢和氦都不再处于电离的状态,变成电中性的原子了。

原子和原子之间不存在电排斥力,引力开始发挥作用,拉着中性原子形成气体云并最终形成恒星。热核聚变将在恒星内部产生更多更重的原子核。比如H-1将通过质子-质子链产生He-4。

对于质量大于40%太阳质量的恒星,随着氢被“燃烧”,向内的引力会超过气体向外的压力和辐射压力。处在恒星核区域的原子核的温度会上升,粒子的动能增加,以至引发了另一个聚变过程——“氦聚变”。

首先两个He-4聚变为Be-8,它是高度不稳定的。但由于现在恒星核区域非常紧密,原子核之间的碰撞如此频繁地发生,以至于在Be-8发生衰变前它就有机会和第三个He-4核发生聚变形成一个碳核。这也叫做三阿尔法粒子过程(Triple-alpha process)。

再加一个阿尔法粒子,会形成O-16,继续下去形成Ne-20和Mg-24。以上过程都是放能的。释放出来的能量继续加热恒星,而且C-12和O-16还可继续聚变形成越来越大原子序数的元素。平均每个核子而言,Fe-56具有最大的束缚能,所以这种放能反应到Fe就中止了。通过俘获中子和贝塔衰变,还可继续形成其他更重的原子核。

如果恒星足够重,最终将会有超新星爆发,这些重元素会被喷射到宇宙空间里,它们是形成第二代恒星的原料。我们的太阳就是一颗第二代恒星,这意味着我们周围及我们身体内部的重元素实际上来自于某颗已经爆炸了的超新星。

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