宇宙的前20分钟,它是什么样子,和我们现在有何不同?




当我们仰望我们所生活的宇宙,实际上我们看到的是它经历137亿年后的样子。多亏了科学的发展,我们已经能够追溯宇宙一开始就发生过的事情。所以,宇宙最开始的时候看起来是什么样子这个问题是公开的,今天我们就来回答这个特别的问题。宇宙一开始的二十分钟是什么样子?

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科学家对于宇宙最开始的几秒几分钟发生的事情有清楚的结论。但在那之前所发生的,非常复杂。例如,在宇宙大爆炸之前有时间吗?这听起来是个让人感到奇怪的问题,但许多科学家认为这个答案是否定的。因为如果我们返回到大爆炸之前的时间,我们会经历从无限维n的区域到奇点时空区域。

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不幸的是,根据我们现有理论,在奇点中,时间和空间破碎了。史蒂芬·霍金把大爆炸之前时间的问题比作询问在北极的一个人往北怎么走,这问题没有意义。但一些科学家不同意这个观点,他们认为甚至在大爆炸事件之前就有宇宙膨胀,量子力学在这样小的尺度上占了主导地位。无论如何,这个问题尚无定论。但我们可以看到大爆炸之后的瞬间。当我们研究宇宙起源时,我们所用的时间标准太长。在极短的时间内发生很多事,科学理论甚至涵盖了大爆炸之后一万亿分之万亿分之万亿秒的事。

这一研究在最开始的阶段就是量子宇宙学。在宇宙过度膨胀之前,宇宙有四种基本力:引力,强核力,弱核力和电磁力——统称为宇宙力。在最开始的时候,物质与能量同样不可分离。然而膨胀开始得很快,在第一秒的小段时间里宇宙就变大了好几倍。再快进一秒的小段,物质和能量就在量子合成的过程中解耦了。

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物质产生的关键是光子的产生,这是因为当光子碰撞后它们会在一个称为正反粒子对产生的过程中产生亚原子粒子和其反粒子。自然法则之所以能被创造就是因为有更多的正粒子产生,宇宙因而得以拥有物质。在宇宙大爆炸发生后的约0.0001秒后,宇宙的温度降低到足以使粒子对停止产生,宇宙形成早期之时,统一自然力在自发对称性破缺的过程中就被拆散成四种基本自然力,从那时起这四种基本自然力就给日后想要理解它们的科学家们留下了问题。

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目前我们还没有推导出能够统一四种基本力的方程或理论。其中重力更是一种极为特殊的存在。在大爆炸发生一秒后,中子从其他物质形式中解耦,并且形成宇宙中微子背景。如果我们所不确定的原初黑洞真的存在的话,那么直至今天它们也会形成。电子在大爆炸后的四秒中不断地产生,而当温度降到足够低——大约六十亿开时,电子就停止产生了。

所以宇宙诞生后的大约四秒钟左右就有了光子、中子、电子和质子;然而光子产生的数量比其它粒子更多。即使是这样,但对于光线来说,宇宙还过于稠密而导致其不能存在,所以这时宇宙中的一切看起来都是昏暗的。在宇宙诞生的两分钟后,更多的事情发生了:此时温度降至十二亿开以下,氘原子或称为“重氢”,已经能够在这个温度中形成。氘原子通过核合成过程使得更多复杂的原子核得以合成。之所以现在只有原子核形成,是由于温度仍然过高的原因使得电子不能被原子核吸引结合从而形成原子。

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在三分钟后,由于宇宙膨胀的原因又使得温度下降至十亿开以下,这让氦原子得以形成。氦原子是由两个氘原子结合在一起形成的,而剩余的能量会以光子的形式释放出来。现在宇宙终于得以开始产生各式各样的物质形式,尽管这些物质的总体组成为75%的氢和25%的氦。在这个物质诞生爆发的时期,其他的核诸如氦核、锂核以及铍核也得以生成,但是还没有出现更重的核,这是因为现在没有稳定的、能够同时包含五个质子和中子的原子核,而那些尝试进入氦核中的质子大多数都会被弹出氦核而告终。



因此,宇宙在原子核产生方面处于停滞状态。在宇宙形成20分钟后,核合成完全停止。但是由于过热,合适的原子还不能形成,光子也无法传播得太远,所以宇宙处于一种暗等离子体状态。此时,宇宙进入了一种平衡。炙热的温度扼杀了一切,所以在此后的2500年里,大部分时间都极其平淡无奇。宇宙几乎是平的,且充斥着大量的辐射。我们快进一下,看看后来发生了什么。宇宙继续膨胀和冷却,但温度必须急剧下降才能进入下一阶段。

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大概2500年后,物质终于开始主宰这个宇宙。又过了大概32.2万年左右的时间,另一件有意思的事情发生了。此时的温度已经陡降至大概3000开尔文。质子和电子可以相互吸引并形成我们现在所熟悉的原子。也就是所谓的重组时代,这是宇宙形成的重要节点,因为原子是宇宙万物形成所必需的。同时,这也是“宇宙微波辐射”形成的时期,研究员们如今仍在使用这种辐射来窥探宇宙的过去。

然而直到宇宙初始形成38万年后,才在黑暗中迎来了光。尽管如此,它仍然很暗,直到第一批恒星形成后才变得亮起来。但那已经是在宇宙大爆炸之后1亿年的事情了。我们的宇宙发生过很多事情,令人惊讶的是很多事情甚至就发生在它存在的最初几分钟里。最初的20分钟异常忙碌,为我们今天所看到的一切奠定了基础。这就是宇宙最初20分钟的样子。

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相关知识

宇宙(拉丁文:universus),指所有的空间和时间[a]及其内涵,[10]包括行星、恒星、星系以及所有其他形式的物质和能量。大爆炸理论是关于宇宙演化的现代宇宙学描述。根据这一理论估计,空间和时间在137.87±0.20 亿年前的大爆炸后同时出现,[11]而宇宙从那时起也一直在不断地膨胀。虽然整个宇宙的空间大小是未知的,[3]但宇宙膨胀方程表明其直径至少为23万亿光年,[12] 并且可以测量可观测宇宙的大小,估计至今其直径为930亿光年。



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