我们知道宇宙起源于一场大爆炸,那么宇宙大爆炸到底产生了什么

我们知道宇宙起源于一场大爆炸,那么宇宙大爆炸到底产生了什么

大爆炸产生了我们现在的宇宙,我们的宇宙包括了所有的空间和时间以及其它的质能,也包括了尘埃、彗星、小行星、卫星、行星、恒星、星系以及所有其他形式的物质和能量。虽然整个宇宙的空间大小仍然是未知的,但是现在,我们可以测量可观测到的宇宙。


宇宙中一切的能量、物质、空间以及时间都从大爆炸开始,初始宇宙由一个密度和温度都无限高的状态组成,这被称为奇点。随后开始出现宇宙暴胀现象,当暴胀结束时,构成宇宙的物质包括夸克-胶子等离子体,以及其他所有基本粒子。随后重子数产生,夸克和胶子结合形成了诸如质子和中子的重子族。在大爆炸发生的几分钟后,少数质子和所有中子结合,组成氘和氦的原子核。在大约37.9万年之后,电子和原子核结合成为原子(主要是氢原子)。由于密度的波动,一些区域的氢分子云开始聚集收缩,最后形成恒星以及星系,也就是我们现在所认知的宇宙。



从大爆炸形成的宇宙演化图解(左)。在这幅图中宇宙以二维呈现,第三维度是时间,向右是时间流动的方向。图:NASA

大爆炸时间表



自然时间线,图WJ百科

奇点

利用广义相对论我们现在可以在时间上将宇宙的膨胀回溯到过去,在宇宙最开始的有限时间上会产生一个密度和温度无限大的状态。这种奇异性表明,广义相对论不能充分描述这种状态下的物理定律。仅仅基于广义相对论的模型不能推测普朗克时代末期之后的奇点。

这个原始的奇点本身有时可被称为“大爆炸”,但是这个术语也可以指早期宇宙中一个更普遍的,热而稠密的阶段。无论哪种情况,“大爆炸”作为一个事件,可以说是 “诞生”了我们现在的宇宙,因为它代表了宇宙历史上的一个开始点,在这个点上,宇宙被证明进入到了一个我们可以理解的物理定律(特别是广义相对论和粒子物理学的标准模型),即从这一刻起,我们的物理定律才开始变得有效。



根据大爆炸理论,宇宙是由一个极紧密、极炽热的奇点膨胀到现在的状态。图:Universe expansion cn

宇宙暴胀与重子数产生

宇宙大爆炸的最早阶段受到很多猜测。在最常见的模型中,宇宙均匀地和各向同性地被填充,具有非常高的能量和密度以及极大的温度和压力,并且会非常快速地膨胀和冷却。在进入膨胀后大约10的负37次方秒,相变会导致宇宙暴胀,在此期间宇宙会成指数倍增长,由于不确定性原理而发生的密度波动被放大成“宇宙胚胎”,随后会形成宇宙的大尺度结构。在暴胀停止后,宇宙会重新加热,加热到宇宙可以产生夸克 - 胶子等离子体以及所有其他基本粒子所需的温度。这个时期的宇宙,温度依旧非常的高,以至于粒子的随机运动处于相对论速度,各种粒子 - 反粒子对在碰撞中不断产生和湮灭。在某种程度上,一种称为重子生成的未知反应违反了重子数的守恒,导致夸克和轻子的数量略微超过了反夸克和反轻子- 超过的范围大约在三千万分之一。这导致了正物质在当前宇宙中比反物质更占优势。

冷却

宇宙的密度持续下降并且温度也随之下降,因此每个粒子的典型能量也在下降。明显对称性破缺相变将物理学的基本力和基本粒子的参数置于它们目前的形式中。在大约10的负11次方秒之后,由于粒子能量下降到在粒子加速器中可以达到的值,所以图像变得不那么具有推测性。在大约10的-6次方秒时,夸克和胶子结合形成质子和中子等重子。与夸克相比,夸克的微量过剩导致重子的数量略微超过了反重子。此时宇宙的温度已经不再高到足以产生新的质子 - 反质子对(类似于中子 - 反中子)了,因此紧随其后的是质量湮灭,只留下10的10次方个原始质子和中子中的一个,而没有任何与它们对应的反粒子。电子和正电子在大约1秒时发生了类似的过程。湮灭之后,剩下的质子、中子和电子不再相对性地运动,宇宙的能量密度主要由光子(中微子的贡献很小)来控制。

结构的形成

在很长一段时间内,宇宙中的物质几乎均匀地分布,它们会受到附近物质的引力扰动,而变得不那么均匀。随后由于引力的效应相互吸引,因此某些区域会变得非常的密集,从而会形成气体云、恒星、星系和今天我们可观测到的其他宇宙结构。此过程的细节主要取决于宇宙中物质的数量和类型。四种可能的物质类型被称为冷暗物质,温暗物质,热暗物质和重子物质。威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)提供的最佳测量结果表明,该数据非常适合Lambda-CDM模型,其中暗物质被认为是冷的(早期再电离不能排出温暗物质),估计约占宇宙物质能量的23%,而重子物质约占4.6%。在包含中微子形式的热暗物质的“扩展模型”中,如果“物理重子密度”估计值在大约0.023(这不同于以总物质/能量密度的一部分表示的“重子密度”,如上所述,其约为0.046。)左右,并且相应的冷暗物质密度约为0.11左右,那么其对应的中微子密度估计小于0.0062。



哈勃超深空再次展现布满星的远古时代,告诉我们远古的星系是什么样子。图:NASA and the European Space Agency

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