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第三十五章 真相

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(注:“大爆炸宇宙论”认为,在137亿年前,宇宙诞生之前,存在着一个体积无限小,密度无限大,温度无限高,时空曲率无限大的点,这个点被称为“奇点”。一切已知物理定律均在奇点处失效。宇宙就是由这个奇点发生的一次大爆炸后膨胀形成的,而且宇宙目前仍在膨胀之中。目前星系红移观测到的哈勃膨胀、对宇宙微波背景辐射的精细测量、宇宙间轻元素的丰度等观测数据都支撑了大爆炸理论,是证实该理论的重要证据。

“暴胀理论”是大爆炸理论的“补丁”。“暴胀理论”认为,在宇宙诞生之初,宇宙的空间曾以指数倍的形式膨胀。这种快速膨胀过程叫做“暴胀”,即宇宙在一段极短的时间内,以非常惊人的增长速率膨胀。按照该理论推测,暴涨过程发生在宇宙大爆炸之后的10^-36秒至 10^-32秒之间。在暴涨结束后,宇宙继续膨胀,但是膨胀速度则小得多。

由于空间暴胀,使得宇宙变得十分平坦,空间曲率接近于零,并且使整个宇宙的温度变得均匀。暴胀期间发生的量子涨落造成了宇宙温度的细微差异,这为未来的宇宙形成恒星和星系创造了条件。此外,暴胀还能够降低大质量奇异粒子的数量密度,例如粒子物理学标准模型的不少衍生理论所预测存在的磁单极子。因此,“暴胀理论”能够解释“大爆炸宇宙论”中的三个难疑:空间各向同性难疑,可观测宇宙空间平坦难疑,磁单极子消失难疑。

“大爆炸宇宙论”和“暴胀理论”共同描绘了宇宙的诞生和形成过程。按照这两个理论,宇宙的诞生和形成过程经历了数个阶段,它们分别是:

(1)普朗克时间(大爆炸发生后的10^-43秒):宇宙诞生后最早的时期,是一个温度非常高的时期,它的温度高到足以让四种基本力(引力、电磁力、弱力和强力)都统合成一种基本力——超力。所有已知的物理和数学规律都是失效的。宇宙中不存在任何物质和辐射。

(2)大一统时期(大爆炸后 10^-43秒至 10^-36秒):随着宇宙的冷却(尽管此时宇宙温度依然非常高),引力开始与其它几种力(电磁力、弱力、强力)分离。在这个时期,物质和能量可以自由地相互转换。

(3)暴胀时期(大爆炸后10^-36秒至 10^-32秒):宇宙尺寸膨胀了10的26次方倍,相当于一粒沙子膨胀到可观测宇宙那么大。随着宇宙进一步冷却,强力开始与其它几种力(电磁力、弱力)分离。宇宙经历了短暂的暴胀之后,空间本身固有的能量都逐渐转化成各种正反粒子和辐射。

(4)夸克时期(大爆炸后10^-32秒至 10^-12秒):宇宙变成一锅粒子汤,大量夸克-反夸克粒子从能量中出现,又重新湮灭为能量,胶子、引力子、希格斯玻色子等粒子也在这个时期出现。

(5)粒子时期(大爆炸后10-12秒至1秒):宇宙变得足够冷,电弱相互作用分解为电磁相互作用和弱相互作用,即电磁力和弱力相互分离。四种基本作用力全部出现。宇宙中的作用力和物理定律,就和今天的一样了。夸克(反夸克)在强相互作用力下聚在一起,使质子和中子(反质子和反中子)诞生。玻色子、中微子、电子、夸克以及胶子稳定下来。

随后,正粒子(质子、中子等)和反粒子(反质子、反中子等)相互碰撞后湮灭。由于与反物质相比,正物质略占优势,所以反物质(反粒子)几乎被湮灭殆尽,而小部分正物质(正粒子)残存了下来,并为今天构成我们宇宙的大部分物质提供了起源。

(6)核子时期(大爆炸后1秒至三分钟):宇宙温度继续降低后,核力(强力)已经能够束缚住质子和中子,氢、氦类稳定原子核形成(核合成)。但电子的能量仍然太高,无法与原子核结合,因此尚不能形成中性原子。

(7)原子时期(大爆炸30万年后):随着宇宙温度再进一步下降,质子和原子核开始捕获电子,形成最初的中性原子。电子被束缚在原子核中,无法再散射光子。物质和辐射从此“解耦”。光子开始以辐射形式在宇宙中传播,宇宙从此变得透明。由辐射主导的宇宙,转变成了由物质主导的宇宙。

(8)恒星时期(大爆炸后2亿年至30亿年):大量氢原子在引力的作用下,聚集在一起。氢原子越多,质量越大,引力越大,引力越大又反过来吸引更多的氢原子。最后在某一时刻,氢元素在引力带来的巨大压力下发生核聚变,从而诞生了恒星,宇宙就此被点亮了。恒星诞生后,周围的物质慢慢聚集形成行星或卫星,共同组成了恒星系统,之后,众多的恒星系统又汇聚成了星系。

(9)暗能量时期(大约距今50亿年前):随着宇宙空间的持续膨胀,暗物质和物质密度不断下降,暗能量开始取代暗物质和物质占据宇宙的主导地位。宇宙空间的膨胀停止减速,并转而开始加速。暗物质和暗能量都不会吸收、反射或者辐射光,所以人类无法直接使用现有的技术进行观测。暗物质产生万有引力,暗能量则相反,产生排斥的力量。宇宙的空间越大,暗能量就越明显,产生的排斥力也就越大。这种排斥的力量推动着宇宙持续膨胀。

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