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宇宙大爆炸

想象一下,在非常早期的时候,你正坐在宇宙内部(你显然不能坐在宇宙外部)。你必须非常坚韧,因为大爆炸内部的温度和压力非常高。那时候,我们今天看到的所有物质都被压缩到一个比原子小得多的区域里。

这只是大爆炸后一秒内的一小部分时间,所有的东西在各个方向看起来都是一样的。没有火球向外飞跑;取而代之的是一团热物质,填满了所有的空间。

这是什么物质?我们不能确定——它可能是一种我们今天看不到的粒子;它甚至可能是“弦”的小循环;但即使是在我们最大的粒子加速器中,它也一定是我们现在无法期待看到的“奇异”物质。

当大爆炸发生时,这团非常热的外来物质随着它所填充的空间变大而膨胀——各个方向的物质都从你身边流走,而这团物质的密度越来越小。物质离你越远,你和它之间的空间就越大,所以物质移动得越快。

实际上,最远的物质正在以比光速还快的速度远离你!

现在很多复杂的变化发生得非常快——都是在大爆炸后的第一秒。微小宇宙的膨胀使炽热的外来流体冷却下来,这就会导致突然的变化,比如当水冷却成冰的时候。

早期宇宙仍然比原子小得多。流体中的某种变化引起惊人的膨胀速度。宇宙的大小翻了一倍,然后再翻一倍,再翻一倍,以此类推,直到它的大小翻了大约90倍,从亚原子到人类的尺度都在增加。就像把床罩拉直一样,这种巨大的拉伸将物质中任何大的凸起拉平,这样我们最终看到的宇宙就会非常平滑,在各个方向上几乎是一样的。

另一方面,流体中微小的涟漪也被拉伸并变得更大,这些将会触发此后恒星和星系的形成。

通货膨胀突然结束,释放出大量的能量,产生大量的新粒子。外来物质已经消失了,取而代之的是更熟悉的粒子——包括夸克(质子和中子的组成粒子,尽管还因太热而无法形成)、反夸克、胶子(存在于夸克和反夸克之间)、光子(光的粒子)。电子和其他一些物理学家所知的粒子。也可能存在暗物质粒子,尽管这些粒子必须出现,但我们尚不清楚它们究竟是什么。

奇异物质去了哪里?其中一些在膨胀期间被抛到我们可能永远看不到的宇宙区域,当温度下降时,其中一些会衰变为不那么奇异的粒子。我们周围的物质比以前减少了很多热量和密度,但仍然比今天的任何地方(包括恒星内部)热得多,密度也大得多。宇宙充满了一种热的、发光的雾(称为等离子体),主要由夸克、反夸克和胶子构成。

膨胀仍在继续(比通货膨胀期间的速度要慢得多),最终温度下降到足以让夸克和反夸克以两三个为一组结合在一起,形成质子、中子和其他粒子,包括一种称为强子的粒子。当宇宙经历了一秒的寿命时,能够透过发光的雾状等离子体看到的东西仍然极少。

在接下来的几秒钟里,随着迄今为止产生的大部分物质和反物质相互碰撞湮灭,产生大量的新光子。现在的雾主要是质子、中子、电子、暗物质和(最重要的)光子,但带电的质子和电子阻止了光子的远距离传播,所以在这种膨胀和冷却的雾中能见度仍然很差。

当两个电子数目不同的粒子开始相互作用时,就会形成一种叫作离子键的东西,粒子就会带正电或负电。

反物质

在反物质中,粒子和构成普通物质的粒子是一样的,但它们周围的一切,包括它们的电荷,都是相反的。如果普通物质和反物质相遇,它们就会相互毁灭。

当宇宙诞生几分钟后,剩下的质子和中子结合在一起形成原子核,主要是氢和氦。这些仍然是带电的,所以雾还是看不透的。在这一点上,这种雾蒙蒙的物质与你今天在恒星内部所发现的物质并无不同,但是当然它充满了整个宇宙。

在存在的最初几分钟疯狂动作之后,宇宙在接下来的几十万年中保持不变,并继续膨胀和冷却,随着光波长由于宇宙的膨胀而被拉长,热雾逐渐变稀、变暗和变红。

38万年后,当我们最终从地球上看到的宇宙部分已经发展到数百万光年宽时,雾终于消散了——电子被氢和氦原子核捕获,形成完整的原子。因为电子和原子核的电荷相互抵消,完整的原子不带电,所以光子现在可以不间断传播——宇宙变得透明了。

在雾中等了这么久,你看到了什么?只有向各个方向发出的逐渐减弱的红光,随着空间的膨胀而继续拉伸的光子波长,这种红光会变得更红、更暗。最后,光完全不可见,到处只有黑暗——我们进入了宇宙黑暗时代。

自那以来,最后一次发光的光子一直在宇宙中传播,并逐渐变得更红——如今,它们可以被探测到,被称为宇宙微波背景辐射(CMB),并且它们仍从天空的各个方向到达地球。

宇宙的黑暗时代持续了几亿年,在这期间几乎看不到任何东西。宇宙中仍然充满了物质,但几乎所有的物质都是暗物质,剩下的是氢气和氦气,而这些都不能产生任何新的光。然而,黑暗中藏着悄无声息的变化。

微观波纹被通货膨胀放大了,这意味着某些区域的质量略高于平均水平。这增加了对这些区域的引力,从而带来更多的质量,并且已经存在的暗物质、氢气和氦气被拉得更近了。慢慢地,数百万年来,由于引力的增加,密集的暗物质和气体聚集在一起,通过吸引更多的物质逐渐增长,并且通过与其他物质的碰撞和融合增长得更快。当气体进入这些区域时,原子加速并变得更热。时不时地,这种气体会变得足够热,从而停止坍缩,除非它可以通过发射光子来冷却或者通过与另一物质云的碰撞而被压缩。

如果气体云坍塌到一定程度,它就会分裂成密度极高的球状团块,以至于内部的热量无法散发出去——最终,当团块核心的氢原子核温度过高、被挤压在一起时,便开始融合(意味着它们合并)成氦核并释放核能。你正坐在这些坍塌的暗物质和气体(因为这是地球所在的银河系所处的位置)中的一个,当附近的第一个斑点爆裂,明亮的光线打破周围的黑暗时,你可能会感到惊讶,这些是第一批诞生的恒星,黑暗时代结束了。

最初的恒星燃烧氢的速度很快,在最后阶段,它们会把能找到的任何原子核融合在一起,形成比氦更重的原子:碳、氮、氧和其他更重的原子,这些原子今天就存在我们周围(和我们自身)。这些原子在大爆炸中像灰烬一样被散落到附近的气体云中,并卷入下一代恒星的诞生过程中。这个过程还在继续——积聚的气体和灰烬会形成新的恒星,使其死亡并产生更多的灰烬。

随着年轻恒星的诞生,我们熟悉的螺旋状星系——银河系就形成了。在可见的宇宙里,在类似的暗物质和气体中也发生了同样的事情。

太阳

大爆炸已经过去90亿年,现在它是一颗由氢气、氦气和死去的恒星灰烬爆发形成的行星环绕的年轻恒星。

再过45亿年,这颗恒星外的第三颗行星 可能仍然是已知宇宙中人类可以舒适生存的唯一地方。他们——你——将会看到恒星、气体云和尘埃、星系和宇宙微波背景辐射在天空中无处不在——但不会看到暗物质,那里大部分物质都是暗物质。你也不可能看到那些如此遥远的部分,即使是来自那里的宇宙微波背景辐射光子也还没有到达。事实上,宇宙中可能有一部分地方的光永远不会到达我们的星球。 FMSjzxA+BSDms6TwcU5qST9F9E0uVvx21B27zU9ltZblha4k/HLq1m5tDSMXmaGo

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