[物理天体]宇宙的诞生

今天,我们看到的宇宙是巨大的,但并不总是如此。

在遥远的过去,它有了一个开始。在它诞生的前三分钟,发生了许多有趣的事情。

为了描绘一幅完整的画面,科学家们不断发展更好的理论,并通过粒子对撞机、望远镜和卫星等极其强大的技术探索和观察宇宙。

尽管仍有许多问题有待解决,但我们已经对宇宙的历史有了很好的描述。

现在,让我们首先回到宇宙诞生后的第一个时刻…普朗克时间:< 10秒理论物理学家对普朗克时期发生的事情知之甚少。

在大爆炸理论变得非常流行之后,科学家们认为宇宙在最初时刻处于最高温度和密度的状态。

当时宇宙中只有一种统一的基本力,然后它被分裂成今天已知的四种基本力(电磁力、弱核力、强核力和重力)。

宇宙的膨胀时间:10-10秒科学家认为宇宙在这个阶段经历了指数膨胀,这一过程称为膨胀。

物理学家在20世纪80年代首次提出通货膨胀理论,以解决大爆炸理论的一些缺点。

当时,尽管大爆炸理论非常流行,但它无法解释为什么宇宙如此扁平和均匀,或者为什么宇宙的不同部分同时开始膨胀。

在膨胀过程中,量子波动可能会扩散产生一种模式,这种模式后来决定了星系的位置。

也许只有在这段膨胀期之后,宇宙才会像大爆炸理论所描述的那样变成一个炽热而密集的火球。

基本粒子的诞生时间:10秒当宇宙仍然很热时,它就像一个巨大的加速器,比大型强子对撞机(LHC)强得多的加速器。

在这个以极高能量运行的巨大“加速器”中,我们现在知道的基本粒子诞生了。

科学家认为奇怪的粒子首先出现,然后是一些更熟悉的粒子,如电子、中微子和夸克。

暗物质粒子也可能在此期间出现。

夸克很快结合形成我们熟悉的质子和中子。它们统称为重子。

中微子可以从带有带电粒子的等离子体汤中逃逸出来,并开始在空之间自由移动,同时光子继续被捕获在等离子体中。

第一批细胞核出现在约1秒~3分钟内。当宇宙冷却到足以让剧烈碰撞平息时,质子和中子聚集成一些轻元素(氢、氦、锂)的原子核。这个过程叫做大爆炸核合成。

质子的质量比中子小,所以它们比中子更稳定。

自由中子衰变的半衰期是15分钟,但是到目前为止,我们还没有发现任何质子衰变的证据(扩展读数:9秒之谜)。

所以当粒子结合时,许多质子仍然没有配对。

因此,氢原子,即没有找到“配偶”的质子,约占我们宇宙中“正常”物质质量的74%。

第二丰富的元素是氦,占24%,其次是微量氘、锂和氦-3。

科学家已经能够精确测量宇宙中的重子密度。

大多数测量数据与理论家的理论估计一致,但有一个问题仍然存在:锂含量的计算结果与测量结果相差三倍。

可能是测量数据有误,但也可能是在这段时间内,发生了一些未知的事件,改变了锂的丰度。

宇宙微波背景变得可见时间:380000年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。宇宙微波背景变得可见的时间:在几十万年前发生膨胀的38万年后,粒子汤已经冷却到足以将电子与原子核结合形成电中性原子。

这一过程被称为复合,光子可以通过复合自由穿过宇宙,形成宇宙微波背景(CMB)。

今天,宇宙微波背景辐射是宇宙学家探索宇宙深处,寻找诸如膨胀的性质以及物质和反物质不对称等悬而未决问题的答案时最有价值的工具之一。

宇宙微波背景辐射被探测到后不久,中性氢粒子形成了充满宇宙的气体。

由于没有物体能够发射高能光子,宇宙已经陷入了数百万年的黑暗时代。

最早的恒星开始发光:~ 1亿年后,随着第一颗恒星的形成和再电离(即高能光子从中性氢原子中剥离电子的过程),黑暗时代结束了。

科学家认为绝大多数电离光子来自最早的恒星。

但是其他过程也可能起作用,比如暗物质粒子之间的碰撞。

这时,物质开始形成第一个星系。

我们的星系包含出生在宇宙中的恒星,那时它们只有几亿年的历史。

太阳诞生时:92亿年前,银河系包含数千亿颗恒星,我们的太阳就是其中之一。

科学家认为它主要是由氢气和氦气组成的巨大气体云形成的。

太阳伴随着行星、小行星等。

最后,智慧生命诞生在一个蓝色星球上。

此时此刻:138亿年后,我们宇宙的温度处于2.7开尔文(零下270.42摄氏度)的低温。它正在以越来越快的速度扩张。虽然它有点类似于通货膨胀,但比通货膨胀慢得多。

物理学家认为,暗能量是一种神秘的排斥力,它占宇宙总质量和能量的68%,最有可能推动宇宙加速膨胀。

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