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宇宙诞生记:一场从“虚无”中爆发的史诗 你是否曾仰望星空,思索过这一切从何而来?那个关于起点的问题——宇宙大爆炸,听起来像一声巨响,但其背后的故事,远比这两个字复杂和精妙。今天,我们就来翻开宇宙的“成长日记”,看看这部138亿年的史诗是如何开篇的。 序幕:一场理论的“升级” 首先需要了解,我们常说的“热大爆炸理论”更像一个经典模型,如同牛顿力学,它非常成功,但并非全貌。最新的理论(如暴胀理论)指出,在热大爆炸之前,宇宙可能经历了一次极速的“真空暴涨”,可以形象地理解为一场源自量子真空的“时空地震”。这好比相对论是对牛顿力学的升级,暴胀理论是对热大爆炸理论的深化。我们今天的故事,就从升级后的“热大爆炸”剧本开始讲起。 第一幕:力的分离——宇宙的“降温”与“分家” 想象一下,宇宙的开端是一个温度极高、密度极大的“原点”。在最初的、短暂到无法形容的瞬间(10^-43^秒内),我们熟知的所有物理规律都失效了。此时,引力、电磁力、强力和弱力这四种基本力是统一在一起的,处于一种“完美对称”的状态。 随着宇宙以光速膨胀并急速冷却,发生了一系列决定性的变化,就像高温的水蒸气冷却后变成水,再结成冰一样。这个过程叫做相变,而其本质是对称性破缺——宇宙最初的完美对称性被一步步打破。 * 10^-43^秒:温度降至10^32^摄氏度,引力第一个“分家”出来,独自掌管时空的弯曲。 * 10^-36^秒:温度降至10^28^摄氏度,强力也分离出去,它将负责未来构成原子核。 * 10^-12^秒:温度降至10^15^摄氏度,弱力和电磁力最后分离。至此,塑造我们世界的四种基本力全部登场。 小知识:我们已在粒子对撞机上验证了电磁力与弱力的统一,但更早期的两次相变,因所需能量太高,尚待未来科技去证实。 第二幕:物质的诞生——幸运的“不对称” 一个完全对称的宇宙会是什么样?那将是一片光子的海洋。因为能量从真空中激发出一个粒子(如电子),必然会同时激发出一个反粒子(正电子),它们相遇便会湮灭,回归为能量。如果完全对称,宇宙中的所有正反物质都会相互湮灭,什么也不会留下。 幸运的是,我们的宇宙发生了一点“意外”。在大爆炸后约10^-11^秒,发生了CP对称性破缺。这导致在十亿对正反粒子湮灭后,会多出一个正物质粒子。正是这微乎其微的“不平衡”(十亿分之一),构成了今天我们看到的星辰
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66662周前
你有没有想过在宇宙诞生之前是什么样子?根据现代宇宙学中最前沿的大爆炸理论,我们的宇宙起源于大约一百三十八亿年前一场奇点大爆炸,并在此后不断膨胀,最终形成了如今的广阔空间和宇宙万物。也就是说,大爆炸标志着时间的起点,是所有一切的开始。而在宇宙诞生之前,所有的空间、时间、能量以及物质都被压缩在一个密度无限大的初始奇点之中。所谓的“爆炸”其实只是一种比喻,指的是从奇点开始的宇宙演化过程。 在大爆炸后的一瞬间,也就是10的-35秒至10的-33秒之间,宇宙的尺度突然增大了一百亿亿亿倍,相当于从一粒尘埃瞬间变成十个银河系这么大。这种超光速的急剧膨胀过程称为“暴胀”,它为后续一切的形成奠定了基础。 在大爆炸后的1秒,宇宙是一团炽热、不透明的粒子汤。随后的几分钟内,第一批化学元素在称为原初核合成的过程中形成。早期宇宙的温度极高且密度极大,在这种高温下还无法形成稳定的原子,光子不断被自由电子散射,导致它无法传播很远,以至于在最初的几十万年里,宇宙基本上处于“迷雾笼罩”的不透明状态。 随着膨胀的持续,宇宙会逐渐冷却,到大爆炸后38万年左右,宇宙的温度降至足以让电子与原子核结合,形成中性原子。这一时期被称为“原子时代”,一切都在被彻底改变。由于电子被束缚在原子内,光子第一次能够在空间中自由传播,原本的“迷雾”消散了,光芒开始在宇宙中闪耀。这些古老的光芒至今仍然以微弱的辐射形式存在宇宙之中,它们遍布整个宇宙的各个方向,经过数十亿年的膨胀,其波长被拉伸到微波范围,所以被称为“宇宙微波背景辐射”,简称CMB。它相当于早期宇宙的照片,通过观测这种背景辐射,我们就能看到宇宙在38万年时的样子。相对于如今的138亿年来说,那就是宇宙的婴儿时期,可以说CMB是宇宙大爆炸遗留下来的余温,是我们能观测到的最古老的光。 从20世纪60年代被发现以来,科学家利用卫星和望远镜对CMB进行了越来越精细的测量,它承载着非常丰富的信息。例如其中微小温差形成的斑点图案便是形成如今庞大宇宙网的原始种子。图案中那些密度稍大的区域在引力作用下坍缩,最终形成了星系和星系团。事实上,CMB就像宇宙结构的“蓝图”,展示了原始物质分布的状态,让我们了解了宇宙的组成和形状。 通过数十年的研究表明,构成恒星、行星以及我们自身的“普通物质”,仅占宇宙总质量的5%左右,其余部分则是68%的暗能量和27%的暗物质。值得注意的是,新
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