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宇宙创世:大爆炸暴胀与核合成过程

【摘要】:暴胀最初的泡泡宇宙经历了一次极为快速的膨胀,天文学家们称之为暴胀,它发生在大爆炸10-36秒之时。暴胀结束时,能量开始转化为物质粒子,一场轰轰烈烈的创生运动开始,这就是通常所说的宇宙“大爆炸”。最初的核合成3分钟是大爆炸的另一个重要时标。至此,大爆炸创世的第一阶段完成。早期宇宙的重要创生阶段:年龄温度创生过程10-36秒1028开正反粒子创生0.000001秒1013开质子中子创

我们身体中最多的那一类原子直接来自大爆炸

无中生有

当回溯到极早期的起始状态时,宇宙变成了量子奇点。在那里,不但人类已知的一切物质形态都不存在,就连空间和时间也不存在。物质是被创生的,同样的,时间和空间也是被创生出来的。这样,询问在宇宙起始之前发生什么,或者奇点之外存在什么,是无意义的。

霍金用无边界设想描述那个初始状态。在这个图景中,时空没有边界,不存在起始点。无穷多的宇宙自发出现,它们从“无”中诞生,以所有可能的方式开始,就像沸腾的水中生成的无数气泡,不停地产生又消亡,处于一种混沌的状态。

所有那些如气泡般生灭的宇宙,其物理规律和我们的宇宙大不相同,它们不能孕育出生命,但其中有一个宇宙泡泡,快速膨胀出来,这就是我们的宇宙。

创造我们这样一个浩瀚的宇宙,需要多大的能量呢?答案是:零。

宇宙的物质由能量创生,我们把这能量称为正能量,而宇宙的引力场则具有负能量,因为所有物质都由引力相互吸引,把两个互相绕转的天体分开来,必须消耗能量。理论家们证明,宇宙的负引力能刚好抵消物质所代表的正能量,而正能量就是由引力能那里借贷而来,所以宇宙的总能量为零。暴胀宇宙学的创立者古斯说:“都说没有免费午餐这件事,但是宇宙是最彻底的免费午餐。”

暴胀

最初的泡泡宇宙经历了一次极为快速的膨胀,天文学家们称之为暴胀,它发生在大爆炸10-36秒之时。

暴胀之快,超乎所有人的想象。在一段非常短的时间里,宇宙的体积呈指数增长,差不多每隔大约0.000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 001秒的时间,宇宙的尺度就增大一倍。大约100个这样的时间间隔后,宇宙的体积增大了1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000倍。它相当于一个原子核区域瞬间膨胀到大约1光年的直径,或者一个氢原子大小瞬间膨胀到银河系尺度。暴胀速度远远超过了光速,但这并不违背相对论,相对论要求两个相对运动的物体速度不能超过光速,这不适用于空间本身的膨胀。

暴胀只持续了极短的时间—从10-36秒至10-34秒,就这极短的瞬间,造就了一个适合生命的宇宙,因为宇宙的时空性质、物理定律、自然常数等就是在暴胀中调整得恰到好处。此时的宇宙如同一粒种子,包含了从粒子到天体所有结构的密码,未来将由这些密码信息成长出各种原子和分子,形成各种星球天体,乃至于演化出不同形态的生命。就如霍金在《果壳中的宇宙》中所表达的:“我们的宇宙是由一个小小的果壳而来,果壳的量子皱纹里包含着宇宙中所有结构的密码”。

暴胀结束时,能量开始转化为物质粒子,一场轰轰烈烈的创生运动开始,这就是通常所说的宇宙“大爆炸”。

要有光

据《圣经》记载,上帝创造宇宙的第一句话是“要有光”。巧合的是,大爆炸最初创生的就是光子,只不过这些光子并不是人眼能看到的可见光,它们是能量极高、波长极短的伽马射线,物质粒子将从这些光子生成。

一对高能的光子碰撞,产生出一对正反粒子,这过程是可逆的,正反粒子碰撞又湮灭回光子:

光子+光子←→质子+反质子

光子+光子←→中子+反中子

光子+光子←→电子正电子

光子+光子←→中微子+反中微子

因为质子和中子的能量大,生成它们的光子能量也必须极高,温度最低需要10万亿开,这称为阈温。电子的能量低一些,生成它的光子能量可以低一些,但阈温也达59亿开。

大爆炸启动后,时间每推进两个量级,空间就膨胀一个量级,温度下降一个量级。百万分之一秒后,温度下降到10万亿开,这是生成正反质子和中子的阈温,低于这个温度,光子的能量就不能生成质子和中子,正反质子和中子的生成就停止了。

1秒是物质创生的另一个分水岭。这时宇宙密度已降到每立方厘米大约1吨,相当于白矮星的密度,温度约100亿开,因为生成正反电子的阈温是59亿开,1秒之后,温度很快降到这个阈温以下,正反电子的生成也停止了。

宇宙大约用了1秒多一点的时间,完成了所有基本粒子的创造,这时候宇宙的主要粒子是质子、中子、电子、中微子以及它们的反粒子。

1939年出版的《物理科学哲学》里,爱丁顿写道:我相信宇宙中有15,747,724,136,275,002,577,605,653,961,181,555,468,044,717,914,527,116,709,366,231,425,076,185,631,031,296个质子和相同数目的电子,这个数为136×2256,后来被称为爱丁顿数,也就是说,宇宙中的质子数和电子数在10

80

量级。

最初的核合成

3分钟是大爆炸的另一个重要时标。这时候,宇宙的温度降至10亿度,和多数人的想象不同,宇宙此时的密度已经和地球大气差不多。这时候,原子核的合成开始,核聚变反应把一部分质子和中子聚变成氦原子核,核聚变反应持续了约1个小时。

1小时后,宇宙温度降到1亿开,虽然还比较高,但由于密度已经远低于地球大气,粒子碰撞几率大大降低,核合成就结束了。

大爆炸的原初核合成只产生了周期表的前三种元素(氢、氦、锂),即原子量在5以内,锂的产量极微小,早期宇宙核合成最终产品主要是大量的氦原子,在第六号元素碳之前完全终止。

大爆炸1小时之后,核合成结束,宇宙中的每一个质子,无论位于原子核内,还是原子核外,都对应着一个电子。带正电的原子核本来可以和电子结合,形成原子—氢原子和氦原子,但此时宇宙的温度对于原子来说太高,在高能光子的轰击下,电子被电离出原子核,处于自由状态。

原子的生成

38万年是最后一个分水岭,在此之后,宇宙温度降到了3000开以下,电子开始和原子核稳定地结合成原子。

至此,大爆炸创世的第一阶段完成。其创造的原子主要是氢和氦,其中氢占了约74%,氦占了约26%,这些就是以后形成星云、恒星和其他天体的原材料。若干亿年之后,这些氢元素聚集在地球上,参与到我们生命体的构造中,成为我们身体里最多的原子。我们看似年轻的身体,多数原子其实和宇宙同样古老,它们已经在宇宙中旅行了138亿年,我们的身体成为它们漫长旅程的短暂一站。

早期宇宙的重要创生阶段:

年龄温度创生过程10-36秒1028开正反粒子创生0.000001秒1013开质子中子创生完成1秒1010开电子创生基本完成3分钟109开原子核开始合成1小时108开原子核合成结束38万年3×103开中性原子开始形成

反物质在哪里?

回顾一下物质的创生,我们会发现一个问题:物质粒子由光子碰撞产生,光子碰撞产生的粒子是一正一反,于是问题来了:我们的宇宙是由一半正物质和一半反物质组成的吗?

让我们用望远镜观测一下宇宙,看看能不能发现有些天体是反物质的?不行,反物质原子结构与正物质原子完全一模一样,它们发出的光子是一模一样的,光子没有正反之分,望远镜根本看不出正反物质差别。

怎么办呢?其实简单推理一下即可。地球上会不会有大块的反物质存在呢?不可能,如果有,它早就被正物质湮灭了。太阳系内有没有反物质天体呢?不可能,因为太阳表面不停地吹出太阳风,它里面有电子、质子、氦原子核等粒子,太阳风粒子吹到太阳系各个星球上,如果太阳系有反物质星球,就会出现持久且强烈的湮灭现象,反物质天体也早就没有了。

同样的论证可推广到银河系,银河系的恒星际空间里充满稀薄的星际气体,此外还有宇宙射线粒子在飞行,它们不与任何一个恒星相湮灭,这是银河系内没有反物质星体的证据。

进而可以肯定,宇宙没有反物质星系。大爆炸最初创生的正反粒子如同一锅混合均匀的汤,按粒子物理学已有的知识,它们没有任何可能在大尺度上完全分离,由此可以得出的结论是:宇宙是由正物质组成的。

反物质哪里去了?只有一个结果,和正物质湮灭了,因为正反物质粒子相遇会湮灭变回光子。

既然反物质都和正物质湮灭了,为什么还会有物质形成宇宙呢?

只有一种可能,大爆炸最初产生的正反粒子数是不对等的,正物质粒子数要比反物质粒子数多一些,这样当全部反物质粒子与等量的正物质粒子相遇湮灭后,还会剩下一些正物质粒子,正是剩下来的这部分正物质形成了今天的宇宙。

最初的正反物质粒子会相差多少呢?极少,只有1/10亿。这个数据是怎么来的呢?据天文学家们统计发现,目前宇宙中粒子的密度大约是每立方米1个粒子,而光子数大约是粒子数的10亿倍,光子由正反物质湮灭而来,由此估算,最初正粒子比反粒子数多了1/10亿。

不能因为这个偏差很小,就可以想当然地认为是可能的,因为人们在实验室里发现,正反粒子是按照1比1创生的,至今没有发现过一个破坏守恒的事例。如果正反粒子绝对严格按照1比1创生,宇宙万物又如何形成呢?

其实,守恒往往是低能级的规律,能级一高,守恒或者对称往往随之出现破缺,比如在化学反应中保持守恒的原子,在高能核聚变中就改变了。在宇宙大爆炸的极早期—创生的10-36秒时,能量状态极高—极高温度,极高密度,极高压强,在这样的极端条件下,正反粒子数量出现小小的不对称是很自然的事情,正粒子只是多出了1/10亿,便造就了我们今天的宇宙。

宇宙开始透明

现在再回到大爆炸的后期—38万年,也就是电子与原子核结合形成原子的时候。这时候,发生了另一件重要事情。在此之前,宇宙里温度很高,电子速度很快,原子核束缚不住它们,它们自由穿梭,空间里的电子密度就非常高,光子在运行过程中很容易与自由电子碰撞,一碰撞就被电子散射或吸收,光子能够自由行进的距离很短,这时候的光子是辐射不出来的,宇宙处于不透明状态。

38万年后,宇宙温度降到了3000开以下,电子的速度降低,它们被原子核束缚住,结合成原子,宇宙中自由电子的密度迅速降低,于是光子可以自由行进,宇宙变得透明起来,这叫光子退耦,我们能够看到的最早光子就来源于这时候。

此后,宇宙继续膨胀下去,温度也逐渐下降,来自大爆炸的光子孤立地运行在宇宙中,波长随着空间的膨胀而渐渐拉长。100亿多年后,其中一些光子进入了人类的射电望远镜,成为宇宙的第一缕曙光,也是“大爆炸”138亿年后的留下的余温。

电子和原子核结合,电子密度越来越低,光子可以在宇宙中自由穿行。