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宇宙大爆炸

 做好人好人好報(bào) 2020-04-04

本文參加【科普新星培訓(xùn)營(yíng)】,內(nèi)容為作者原創(chuàng)。


相信不少人已經(jīng)看過了謝耳朵的《生活大爆炸》,共計(jì)10季。也一定有很多人認(rèn)同“宇宙大爆炸”的理論,認(rèn)為他是最符合天文常識(shí)的一種假說。那么,宇宙大爆炸理論到底是什么?


“大爆炸宇宙論”(The Big Bang Theory)認(rèn)為:宇宙是由一個(gè)致密熾熱的奇點(diǎn)于137億年前一次大爆炸后膨脹形成的。1927年,比利時(shí)天文學(xué)家和宇宙學(xué)家勒梅特(Georges Lema?tre)首次提出了宇宙大爆炸假說。1929年,美國(guó)天文學(xué)家哈勃根據(jù)假說提出星系的紅移量與星系間的距離成正比的哈勃定律,并推導(dǎo)出星系都在互相遠(yuǎn)離的宇宙膨脹說。

爆炸之初,物質(zhì)只能以中子、質(zhì)子、電子、光子和中微子等基本粒子形態(tài)存在。宇宙爆炸之后的不斷膨脹,導(dǎo)致溫度和密度很快下降。隨著溫度降低、冷卻,逐步形成原子、原子核、分子,并復(fù)合成為通常的氣體。氣體逐漸凝聚成星云,星云進(jìn)一步形成各種各樣的恒星和星系,最終形成我們?nèi)缃袼吹降挠钪妗?/p>

宇宙大爆炸

宇宙奇點(diǎn)


大爆炸開始時(shí):約150億年前,體積無限小,密度無限大,溫度無限高,時(shí)空曲率無限大的點(diǎn),稱為奇點(diǎn)??臻g和時(shí)間誕生于某種超時(shí)空——部分宇宙學(xué)家稱之為量子真空(假真空),其充滿著與海森堡不確定性原理相符的量子能量擾動(dòng)。

大爆炸后(10exp-43)秒(普朗克時(shí)間):約1032度,宇宙從量子漲落背景出現(xiàn),這個(gè)階段稱為普朗克時(shí)間。在此之前,宇宙的密度可能超過每立方厘米1094克,超過質(zhì)子密度1078倍,物理學(xué)上所有的力都是一種。(超對(duì)稱)在這個(gè)階段,宇宙已經(jīng)冷卻到引力可以分離出來,開始獨(dú)立存在,存在傳遞引力相互作用的引力子。宇宙中的其他力(強(qiáng)、弱相互作用和電磁相互作用)仍為一體。

大爆炸。代表宇宙起源的概念電腦藝術(shù)作品

大爆炸后(10exp-35)秒:約1027度,暴漲期(第一推動(dòng)),引力已分離,夸克、玻色子、輕子形成。此階段宇宙已經(jīng)冷卻到強(qiáng)相互作用可以分離出來,而弱相互作用及電磁相互作用仍然統(tǒng)一于所謂電弱相互作用。宇宙也發(fā)生了暴漲,暴漲僅持續(xù)了10-33秒,在此瞬間,宇宙經(jīng)歷了100次加倍(2100),得到的尺度是先前尺度的1030倍(暴漲的是宇宙本身,即空間與時(shí)間本身,并不違反光速藩籬)。暴漲前宇宙還在光子的相互聯(lián)系范圍內(nèi),可以平滑掉所有粗糙的點(diǎn),暴漲停止時(shí),今天所探測(cè)的東西已經(jīng)在各自小區(qū)域穩(wěn)定下來,而這被稱為暴漲理論。

大爆炸后(10exp-12)秒:約1015度,粒子期,質(zhì)子和中子及其反粒子形成,玻色子、中微子、電子、夸克以及膠子穩(wěn)定下來。宇宙變得足夠冷,電弱相互作用分解為電磁相互作用和弱相互作用。輕子家族(電子、中微子以及相應(yīng)的反粒子)需要等宇宙繼續(xù)冷卻10-4秒才能從與其他粒子的平衡相中分離出來。其中中微子一旦從物質(zhì)中退耦,將自由穿越空間,原則上可以探測(cè)到這些原初中微子。

大爆炸后0.01秒:約1000億度,光子、電子、中微子為主,質(zhì)子中子僅占10億分之一,熱平衡態(tài),體系急劇膨脹,溫度和密度不斷下降。

大爆炸后0.1秒后:約300億度,中子質(zhì)子比從1.0下降到0.61。

大爆炸后1秒后:約100億度,中微子向外逃逸,正負(fù)電子湮沒反應(yīng)出現(xiàn),核力尚不足束縛中子和質(zhì)子。

大爆炸后10秒后:約30億度,核時(shí)期,氫、氦類穩(wěn)定原子核(化學(xué)元素)形成。當(dāng)宇宙冷卻到109開爾文以下(約100秒后),粒子轉(zhuǎn)變不可能發(fā)生了。核合成計(jì)算指出,重子密度僅占拓?fù)淦接钪嫠栉镔|(zhì)的2%~5%,強(qiáng)烈暗示了其他物質(zhì)能量的形式(非重子暗物質(zhì)和暗能量)充滿了宇宙 。

大爆炸后35分鐘后:約3億度,原初核合成過程停止,尚不能形成中性原子。

大爆炸后1011秒(104年),溫度約為105開爾文,物質(zhì)期。在宇宙早期歷史中,光主宰著各能量形式。隨著宇宙膨脹,電磁輻射的波長(zhǎng)被拉長(zhǎng),相應(yīng)光子能量也跟著減小。輻射能量密度與尺度(R)和體積(4πR3/3)的乘積成反比例減小,即安1/R4減小,而物質(zhì)的能量密度只是簡(jiǎn)單地與體積成1/R3反比例減小。一萬年后,物質(zhì)密度追上輻射密度且超越它,從那時(shí)起,宇宙和它的動(dòng)力學(xué)開始為物質(zhì)所主導(dǎo)。

宇宙大爆炸

宇宙大爆炸的早期模擬示意

大爆炸后30萬年后:約3000度,化學(xué)結(jié)合作用使中性原子形成,宇宙主要成分為氣態(tài)物質(zhì),并逐步在自引力作用下凝聚成密度較高的氣體云塊,直至恒星和恒星系統(tǒng)。

量子真空在暴漲期達(dá)到全盛,之后便以暗能量的形式彌漫于全宇宙,且隨著物質(zhì)和輻射密度迅速減小,暗能量越來越明顯。暗能量可能占據(jù)宇宙總能量密度的2/3,從而推動(dòng)了宇宙加速膨脹。


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