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最初的38万年

我们都听过这样一个故事:138亿年前,宇宙诞生于一场大爆炸


这很容易使我们联想到这样一幅简单的画面:在空间中的某一点,发生了一场剧烈的爆炸


但事实是?这里并没有发生任何传统意义上的爆炸,而是指空间的膨胀。此外,宇宙也并非是从一个点开始的,而是在各处同时发生的!



物理学家并不知道大爆炸后的第一瞬间发生了什么,那段极短的时期被称为普朗克时期。所有已知的物理理论在那段期间都失效了,我们需要一个量子引力理论


在普朗克时期,宇宙只有一种基本力——超级力。但当该时期结束时,超级力分裂成了引力大统一力。紧接着大统一力进一步分裂成强核电弱力



许多物理学家认为这个事件引发了所谓的”暴胀“——一段极短但以指数式膨胀的时期。如果暴胀的确发生了, 那么它就可以解释为什么宇宙看起来为何如此的光滑和平坦。




当暴胀结束时,宇宙开始变得丰富起来了。如果把此时的宇宙比喻成一口锅,那么在锅里的就是热腾腾的“粒子”和“反粒子”汤。在这些粒子中,有一些是我们今天依然可以看到的、构成物质的基本粒子(比如电子夸克,一些携带力的粒子(比如光子胶子W玻色子,以及希格斯玻色子。还有一些则是已经不存在,或者是极难被探测到的粒子,比如引力子(假想中传递引力的粒子)。这段时期被称为夸克时期




当夸克时期接近结束时,电弱力分裂成了弱核力电磁力。自那之后,自然界中的四种基本力正是我们现在所体验到的(关于力的统一,详见今天第二篇文章《物理学家的夙愿是?》)


随着宇宙的不断膨胀和冷却,宇宙在夸克时期结束时进入了强子时期强子是指由两个或两个以上的夸克组成的复合粒子。“上”夸克和“下”夸克会结合胶子形成质子中子,将它们束缚在一起的力便是强核力。起初,我们一直认为质子是由两个上夸克和一个下夸克组成的,但随着我们逐渐深入的了解,发现质子的内部比我们想象的要复杂的多。现在,关于质子的半径、质量和衰变的问题,是许多物理学家所希望解开的。强子还包含了介子,它们是由一个夸克和一个反夸克组成的,但它们很快就会衰变或湮灭。




到这里,或许你会认为宇宙诞生已经了许久,但记住刚才提到的所有都仅仅只发生在宇宙诞生后的1秒内


在大约1秒的时候,宇宙中发生了一件关乎我们存亡的事件。在那场宇宙级的“湮灭大战”中,构成我们今天看到所有东西的物质战胜了反物质。如果不是那样,我们今天也就不会存在。但为什么物质会多过于反物质?这是当今物理学的一大谜团。




在宇宙诞生大约100秒后,质子和中子之间的碰撞开始形成氦-4原子核(包含两个质子和两个中子),以及少量的其他原子核,比如氦-3(包含两个质子和一个中子)(3个质子和4个中子)(一个质子和一个中子)。这段时期被称为太初核合成。这些过程大约在两到三分钟内完成。




在接下来一段很长的时间里,宇宙持续膨胀和冷却,但还无法产生原子。如果电子短暂地接触到质子或氦原子核,它们很快就会被光子无情地拆散。光子和电子之间的不断散射意味着光子几乎无法沿着直线传播。如果我们能够看到当时的宇宙,那么它看起来就像是被一团厚重的雾所笼罩。


到了宇宙诞生后的大约30万年,温度降低到了约2700摄氏度,这时质子和原子核开始捕捉电子,形成第一批的原子




电子与原子结合,意味着它们不再散射光子。光子终于自由了,它们开始遨游在宇宙之中,一切都开始变得透明。在宇宙诞生后的大约38万年,宇宙中充满了光子辐射,这些辐射至今仍可以被探测到,那就是所谓的微波背景辐射(CMB)




微波背景辐射是我们可以探测到的最古老的光,它看起来只是一幅充满了不同颜色(温度)的点,但事实上这幅图蕴含着许多关于宇宙的信息。在「时间」专栏中,物理学家Bram Boroson教授带领着我们一同探索隐藏在它背后的秘密。


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来自:人老颠东  > 自然科学
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