我们的宇宙是怎么诞生的?是如何一步步演变成今天的样子?

第一个题目没有公认的谜底,只回覆第二个题目吧,宇宙是怎样一步步演变成昨天这个模样的?

宇宙学的一个重要的钻研目标便是复原宇宙的汗青。现正在,从地理没有雅察上,人们能够把宇宙的汗青最先复原到原初核分解时代(年夜概是宇宙降生后 3 分钟)。而正在实践上,现正在的实践钻研能够把宇宙的汗青追溯到暴胀时代(宇宙降生后约  秒)。这篇回覆就来引见一下古代宇宙学对于宇宙汗青的意识。

图 1 宇宙汗青示用意(图片来自收集)

一、极晚期宇宙1.1 暴胀(10^-30 秒内)

暴胀是古代宇宙学实践所能追溯到最先的一个宇宙学事宜,或说最先的一段时代,年夜概发生正在宇宙降生后  秒内。正在暴胀时代刚最先的时刻,宇宙的尺度无比小。此时,宇宙中存正在一种特别的物资场,称为暴胀场 。 这个场拥有无比年夜的真空能,能够推进宇宙发生猛烈的指数收缩(尺度是光阴的指数函数)。通过当初的地理没有雅察效果,咱们能够约莫正在暴胀时代,宇宙的尺度最少收缩了年夜概  倍(体积  收缩了  倍)。同时,因为暴胀场  的真空能密度  险些没有随宇宙尺度扭转,以是正在整个暴胀时代, 场的总能量最少也翻了  倍。这能够看做是宇宙中物资滥觞的历程。

1.2 重加热(远小于 1 秒)

正在暴胀终了之后,宇宙中物资的能量险些整个贮存正在暴胀场  之中。或说,正在暴胀终了之后,宇宙中满盈了一种叫做「暴胀子」的粒子。这些暴胀子是很没有稳固的,它们会很快衰变为电子、光子、夸克这些规范模籽粒子。换句话说,能量从暴胀场向规范模籽粒子转移,这个历程就叫做「重加热」。为甚么叫这个名字呢?是因为,暴胀子的品质无比年夜,而规范模籽粒子正在极晚期宇宙险些没有品质,以是衰变之后暴胀子的能量重要转化为了规范模籽粒子的动能。而咱们晓患上,所谓的温度实正在便是少量热失调粒子的均匀动能。以是暴胀子整个衰变为规范模籽粒子之后,宇宙的温度变患上无比高。这便是这一历程被称为「重加热」的缘故。

至于重加热延续的光阴,现正在尚没有肯定。要是暴胀子和规范模籽粒子的互相感化充足猛烈,那末暴胀子就会衰变患上很快,暴胀终了之后没多久(也正在 秒以内)重加热就能够实现。但是,要是互相感化充足强劲,那末重加热就会停止患上很慢。重加热终了之后,宇宙中满盈了低温的、近光速静止的粒子,它们像一锅热汤同样夹杂正在一同。自此宇宙最先辈入热年夜爆炸时代,跟着尺度收缩,宇宙的温度逐步升高。

1.3 正反物资纰谬称发生(10^-10 秒内)

上一末节说的热汤外面有正粒子,也有反粒子,它们之间能够互相泯没,也能够反向再发生,到达了热失调状况。但是咱们晓患上,咱们当初的宇宙中险些没有反粒子,以是这锅热汤外面的正粒子未需要比反粒子多一点点。如许一来,到前期正反物资都泯没完之后,还能够再剩下一些正物资。剩下的这些实正在便是昨天宇宙中的一切可见物资。

固然,热汤中的正物资没有会无缘无端比反物资多一点点,未必有某种机创造成了正反物资的纰谬称发生。尽管人们现正在还没有清晰真相是甚么样的机制,但基础上能够肯定这个历程发生正在宇宙温度升高至 1TeV(注:1TeV~ ℃)以前,换算成光阴年夜概是宇宙降生后  秒内。

1.4 电弱对于称性破缺(约 10^-10 秒)

打仗过一些粒子物理的友人能够晓患上,咱们的宇宙中有四种基真互相感化:引力、电磁力、弱互相感化、强互相感化。个中,电磁和弱互相感化正在极高的能量(温度)下是对于立正在一同的。以是,正在宇宙重加热终了之后,电磁和弱互相感化是作为一个对于立的总体显示出来的。而后跟着宇宙收缩,宇宙温度升高至年夜概 0.25TeV 时,电弱对于立互相感化会正在希格斯场的影响下分解为电磁和弱这两种互相感化。这被称为电弱对于称性破缺。

正在破缺之后,希格斯场拥有了一个非零的真空指望值,这使患上一切与希格斯场存正在互相感化的规范模籽粒子获取了品质。(注:正在电弱对于称性破缺以前,一切规范模籽粒子险些没有品质)

图 2 粒子物理规范模子。这是现正在正在试验中发明的一切基础粒子。

二、晚期宇宙

2.1 夸克强子化(约 0.0001 秒)

正在电弱对于称性破缺之后,宇宙中的粒子还是一锅热汤,汤外面蕴含着一切品种的规范模籽粒子。而后跟着宇宙连续收缩,温度连续升高,一些重的没有稳固粒子最先从热汤中隐没(衰变之后因为温度过低无奈再反向发生),譬如希格斯粒子、W Z 粒子、重味夸克和轻子。等到温度升高至 100MeV(  ℃)的数目级时,热汤中只剩下了正负电子、中微子、光子、轻夸克和胶子。

此时,粒子之间的碰撞明显升高,已有余以阻挠夸克和胶子被强互相感化解放,造成质子、中子如许的复合粒子。这个历程就被称为夸克强子化。

2.2 中微子退耦(约 1 秒)

夸克强子化之后,热汤外面还剩下正负电子、光子和中微子。跟着宇宙连续收缩,当宇宙的温度降至年夜概 1MeV(  ℃)数目级时,中微子最先从这锅热汤中加入,成为了遍布正在全宇宙的“中微子配景”。这些中微子通过 138 亿年的演变遗留至今,现正在年夜概占宇宙中物资总量的 0.006%. 但因为探测手艺所限,人们当初尚没有探测到这个中微子配景。

2.3 原初核分解(约 3 分钟)

正在夸克强子化之后,造成了质子和中子。但正在它们刚造成的时刻,宇宙的温度还是过高,以至于质子和中子之间会猛烈地互相碰撞,无奈造成稳固的原子核构造。跟着宇宙尺度的收缩,宇宙的温度逐步升高,粒子之间的碰撞会趋于弛缓。直到宇宙的温度升高至年夜概十亿度,粒子之间的碰撞才没有至于将新结分解的原子核捣毁。由此,稳固的原子核构造能力够正在咱们的宇宙中源源一直地造成。这个历程就叫做原初核分解,此光阴隔宇宙降生已已往了年夜概 3 分钟。

值患上一提的是,咱们能够依据宇宙年夜爆炸实践去盘算原初核分解历程中造成的轻元素(譬如氘、氦 -4)的品貌,也便是它们正在宇宙中的占比,并通过地理没有雅察来对于盘算值停止测验。停止现正在,绝年夜少数丈量效果与年夜爆炸实践的盘算值合乎患上至关好。这被视为年夜爆炸实践的外围证据之一。

2.4 物资 - 辐射相称(约 5 万年)

这里的「物资」是指速率远低于光速的粒子,「辐射」是指速率近光速或即是光速的粒子。后面说过,正在晚期宇宙中,绝年夜少数粒子是处于一锅热汤的状况,也便是说温度极高,静止速率近光速。此时宇宙中实正在另有一小全体低速静止的粒子,譬如暗物资,但它们的总量远比「辐射」要少。

无非,宇宙中「辐射」的能量是没有守恒的,随宇宙收缩而升高。因而,尽管热年夜爆炸刚最先的时刻宇宙是被「辐射」所主导的,但跟着宇宙的收缩,「辐射」正在宇宙中的占比越来越低。直到宇宙降生年夜概 5 万年后(温度升高至年夜概一万度),宇宙中「辐射」的总量升高至与低速静止的「物资」相称。今后,「辐射」连续缩小,宇宙最先被低速静止的「物资」所主导。

2.5 氢原子造成(约 24 万年)

宇宙的温度升高至年夜概 3400 ℃,绝年夜少数电子能够顺遂地与质子联合造成氢原子。

2.6 宇宙微波配景辐射造成(约 38 万年)

宇宙温度升高至约 2700℃,光子与氢原子的互相感化变患上充足强劲,能够自正在地正在宇宙中穿行。这些遍布全宇宙的光遗留至今,成为了所谓的宇宙微波配景辐射。

最终、构造造成3.1 第一颗恒星造成(约 3 万万年)

氢原子和少量的氦原子正在引力的感化下荟萃,发生核聚变反馈,造成第一颗恒星。

3.2 第一个星系造成(约 6 亿年)

宇宙的暴胀没有仅为宇宙带来了物资,还为宇宙带来了造成构造的种子。暴胀场的量子涨落正在暴胀时期会被指数缩小,到暴胀终了之后这就成为了宇宙空间中物资的密度涨落。所谓的密度涨落便是说有的中央粒子麋集,有的中央粒子稀薄。如许一来,正在宇宙演变的历程中,粒子就会正在引力的感化下向密度年夜的地区荟萃,造成星系、星系团,以至更年夜尺度的构造。

图 3 盘算机模仿的粒子荟萃造成年夜尺度构造的历程(图片来自收集)

3.3 太阳系造成 (约 80 亿年)

如题,没啥好说的。

3.4 暗能量主导(约 90 亿年)

最最先咱们引见暴胀的时刻说,暴胀场是一种领有微小真空能密度的物资场,它会推进宇宙的指数收缩。理论上,地理没有雅察发明,当初的宇宙中也存正在一种领有真空能的物资场,当初它正推进着宇宙的减速收缩,只无非它的真空能密度很低,造成的减速收缩没有暴胀那末猛烈。人们把这类领有真空能的没有明物资场称为「暗能量」

正犹如暴胀场的总能量(正在暴胀时期)会跟着宇宙的收缩而增多,暗能量的总量也是跟着宇宙收缩逐步增多的。正在宇宙方才降生之时,宇宙中暗能量的占比能够纰漏没有计,但跟着宇宙的延续收缩,暗能量的占比越来越多。正在宇宙岁数为年夜概 90 亿年时,暗能量的占比高出了宇宙中物资总量的一半,最先主导宇宙的演变,推进宇宙的减速收缩。

3.5 昨天(约 138 亿年)

演变至昨天,间隔宇宙降生已已往了年夜概 138 亿年。昨天宇宙中暗能量的占比已增多至 69 %,光子、中微子等「辐射」的占比已下落至有余 0.01% 的数目级。剩下的 31% 外面,有 5% 是质子、中子、电子等等可见的重子物资。另有 26% 是暗物资,现正在咱们没有晓患上它的物理本色是甚么。

图 4 宇宙中各物资组分总量的演变汗青,个中已设昨天宇宙的尺度为 1,昨天的物资总量为 1。

以上基础上便是古代宇宙学对于宇宙汗青的总体意识了。无非另有一些重要的事宜我没有列出来,因为当初的实践没有能肯定这些事宜发生正在甚么时代。例如暗物资的发生。正在某些实践模子中许可暗物资正在暴胀终了之后就敏捷发生出来,但另有一些模子能够把暗物资退耦的光阴推延到原初核分解以前。

 

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