一个宇宙的诞生

今天,我们所看到的宇宙是浩瀚无垠的,但它并非总是如此。在遥远的过去,它有一个开端,在它诞生的最初三分钟,发生了许多有趣的事情。为了描绘一幅完整的图景,科学家不断地发展更好的理论,并且通过极其强大的粒子对撞机、望远镜和卫星等技术来探索和观测这个宇宙。虽然还有许多的问题等待着被揭开,但我们对宇宙的历史已经有了一个非常好的描述。现在,让我们首先回到宇宙诞生之后的最初时刻……

普朗克时期

时间:

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理论物理学家对普朗克时期所发生的事情知之甚少。在大爆炸理论大受欢迎之后,科学家们认为,宇宙在最初的时刻是处于一种温度和密度最大化的状态。那时,宇宙中只有一种统一的基本力,之后才分裂成今天已知的四种基本力(电磁力、弱核力、强核力和引力)。

宇宙的膨胀

时间:10???秒~10???秒

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科学家认为宇宙在这个阶段经历了指数式的膨胀,这个过程被称为暴胀。物理学家在20世纪80年代首次提出暴胀理论,为的是要解决大爆炸理论的一些不足之处。在当时,大爆炸理论虽然很受欢迎,却不能解释为什么宇宙为何如此平坦和均匀,也不能解释为什么宇宙的不同部分会同时开始膨胀。

在暴胀期间,量子涨落可能会伸展开来而产生一种模式,这种模式在后来决定了星系的位置。也许只有在这段暴胀期之后,宇宙才会像大爆炸理论所描述的那样,变成一个炽热又致密的火球。

基本粒子的诞生

时间:~10???秒

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当宇宙还很热时,它就像是一个巨大的加速器,一个比大型强子对撞机强大得多的加速器。在这个以极高能量运行的巨型“加速器”中,那些我们现在所知道的基本粒子诞生了。

科学家认为,首先出现的是奇异粒子,然后是一些更熟悉的粒子,比如电子、中微子和夸克。暗物质粒子也可能是在这段时间出现的。夸克很快就结合了起来,形成我们熟悉的质子和中子,它们被统称为重子。中微子能够逃离这些带由电粒子组成的等离子体汤,开始在空间中自由移动,而光子则继续被束缚在这个等离子体中。

第一批原子核的出现

时间:~1秒~3分钟

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当宇宙冷却到足以让猛烈的碰撞平息下来时,质子和中子就聚集成了一些轻元素的原子核,这一过程被称为大爆炸核合成。与中子相比,质子有着更小的质量,因此它们比中子更加稳定。自由中子衰变的半衰期为15分钟,而迄今为止,我们还没有发现质子衰变的证据(扩展阅读:

《9秒之谜》

)。

所以当粒子结合时,许多质子仍然没有配对。由此所导致的结果就是,氢原子,即那些没能找到“伴侣”的质子,占我们宇宙中“正常”物质质量的74%左右。第二丰富的元素是氦,约占24%,其次是微量的氘、锂和氦-3。

科学家已经能够精确地测量宇宙中的重子密度。测量的数据大多与理论家的理论估计相符,但有一个问题却挥之不去:锂含量的计算结果与测量结果相差了三倍。可能是测量数据有误,但也可能是在这段时间里,发生了一些改变了锂的丰度的未知事件。

宇宙微波背景变得可见

时间:380000年

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在暴胀发生的几十万年之后,粒子汤已经冷却到足以使电子与原子核结合形成电中性的原子。这个过程被称为复合,通过复合过程,光子得以自由地穿梭于宇宙之中,创造了宇宙微波背景。

今天,当宇宙学家探索宇宙的深处,找寻如膨胀的本质、物质-反物质的不对称之谜等悬而未决的问题的答案时,宇宙微波背景辐射就是他们拥有的最有价值的工具之一。在探测到宇宙微波背景辐射后不久,中性的氢粒子就形成了充满宇宙的气体。由于没有任何物体能发射出高能量的光子,宇宙因此陷入了数百万年的黑暗时代。

最早的恒星开始闪耀

时间:~1亿年

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随着第一批恒星的形成和再电离(也就是高能光子从中性氢原子中剥离电子的过程)的出现,黑暗时代结束了。科学家认为,绝大多数的电离光子来自于最早的恒星。但是其他的一些过程可能也起到了一定的作用,比如暗物质粒子之间的碰撞。在这个时候,物质开始形成第一批星系。我们所在的银河系就包含诞生于宇宙只有几亿岁时的恒星。

太阳的诞生

时间:92亿年

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银河系中包含几千亿颗恒星,我们的太阳正是其中的一颗。科学家认为,它主要由氢和氦组成的巨大气体云所形成的。伴随着太阳诞生的还有行星、小行星等。最终,在一个蓝色的星球上孕育出了智慧生命。

此时此刻

时间:138亿年

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如今,我们宇宙的温度处于2.7开尔文(零下270.42摄氏度)的低温状态,它正在以一种速率递增的方式膨胀,虽然有点类似于暴胀,但要比暴胀慢很多。物理学家认为,最有可能推动宇宙加速膨胀的是一种神秘的排斥力——暗能量,目前它占宇宙总质量和能量的68%。

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