一个宇宙的诞生

一个宇宙的诞生-冯金伟博客园

　　来源：原理（微信公众号）

　　今天，我们所看到的宇宙是浩瀚无垠的，但它并非总是如此。在遥远的过去，它有一个开端，在它诞生的最初三分钟，发生了许多有趣的事情。为了描绘一幅完整的图景，科学家不断地发展更好的理论，并且通过极其强大的粒子对撞机、望远镜和卫星等技术来探索和观测这个宇宙。虽然还有许多的问题等待着被揭开，但我们对宇宙的历史已经有了一个非常好的描述。现在，让我们首先回到宇宙诞生之后的最初时刻……

　　普朗克时期

　　时间：< 10⁻⁴³秒

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　　理论物理学家对普朗克时期所发生的事情知之甚少。在大爆炸理论大受欢迎之后，科学家们认为，宇宙在最初的时刻是处于一种温度和密度最大化的状态。那时，宇宙中只有一种统一的基本力，之后才分裂成今天已知的四种基本力（电磁力、弱核力、强核力和引力）。

　　宇宙的膨胀

　　时间：10⁻⁴³秒~10⁻³⁶秒

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　　科学家认为宇宙在这个阶段经历了指数式的膨胀，这个过程被称为暴胀。物理学家在 20 世纪 80 年代首次提出暴胀理论，为的是要解决大爆炸理论的一些不足之处。在当时，大爆炸理论虽然很受欢迎，却不能解释为什么宇宙为何如此平坦和均匀，也不能解释为什么宇宙的不同部分会同时开始膨胀。

　　在暴胀期间，量子涨落可能会伸展开来而产生一种模式，这种模式在后来决定了星系的位置。也许只有在这段暴胀期之后，宇宙才会像大爆炸理论所描述的那样，变成一个炽热又致密的火球。

　　基本粒子的诞生

　　时间：~10⁻³⁶秒

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　　当宇宙还很热时，它就像是一个巨大的加速器，一个比大型强子对撞机（LHC）强大得多的加速器。在这个以极高能量运行的巨型“加速器”中，那些我们现在所知道的基本粒子诞生了。

　　科学家认为，首先出现的是奇异粒子，然后是一些更熟悉的粒子，比如电子、中微子和夸克。暗物质粒子也可能是在这段时间出现的。夸克很快就结合了起来，形成我们熟悉的质子和中子，它们被统称为重子。中微子能够逃离这些带由电粒子组成的等离子体汤，开始在空间中自由移动，而光子则继续被束缚在这个等离子体中。

　　第一批原子核的出现

　　时间：~1 秒~3 分钟

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　　当宇宙冷却到足以让猛烈的碰撞平息下来时，质子和中子就聚集成了一些轻元素（氢、氦、锂）的原子核，这一过程被称为大爆炸核合成。与中子相比，质子有着更小的质量，因此它们比中子更加稳定。自由中子衰变的半衰期为 15 分钟，而迄今为止，我们还没有发现质子衰变的证据（扩展阅读：《9 秒之谜》）。

　　所以当粒子结合时，许多质子仍然没有配对。由此所导致的结果就是，氢原子，即那些没能找到“伴侣”的质子，占我们宇宙中“正常”物质质量的 74% 左右。第二丰富的元素是氦，约占 24%，其次是微量的氘、锂和氦-3。

　　科学家已经能够精确地测量宇宙中的重子密度。测量的数据大多与理论家的理论估计相符，但有一个问题却挥之不去：锂含量的计算结果与测量结果相差了三倍。可能是测量数据有误，但也可能是在这段时间里，发生了一些改变了锂的丰度的未知事件。

　　宇宙微波背景变得可见

　　时间：380000 年

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　　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。这个过程被称为复合，通过复合过程，光子得以自由地穿梭于宇宙之中，创造了宇宙微波背景（CMB）。

　　今天，当宇宙学家探索宇宙的深处，找寻如膨胀的本质、物质-反物质的不对称之谜等悬而未决的问题的答案时，宇宙微波背景辐射就是他们拥有的最有价值的工具之一。在探测到宇宙微波背景辐射后不久，中性的氢粒子就形成了充满宇宙的气体。由于没有任何物体能发射出高能量的光子，宇宙因此陷入了数百万年的黑暗时代。

　　最早的恒星开始闪耀

　　时间：~1 亿年

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　　随着第一批恒星的形成和再电离（也就是高能光子从中性氢原子中剥离电子的过程）的出现，黑暗时代结束了。科学家认为，绝大多数的电离光子来自于最早的恒星。但是其他的一些过程可能也起到了一定的作用，比如暗物质粒子之间的碰撞。在这个时候，物质开始形成第一批星系。我们所在的银河系就包含诞生于宇宙只有几亿岁时的恒星。

　　太阳的诞生

　　时间：92 亿年

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