宇宙的演進5-極簡宇宙史

物理學家的觀測和計算結果是我們這個宇宙起源于137億年以前的一次“大爆炸”。

我們已知的物理定律只能從宇宙起源10^(-43)秒之后開始起作用 —— 這就是“普朗克時間”.

物理學一共有四種基本相互作用:引力、強相互作用、弱相互作用、電磁相互作用。在普朗克時間之前,四種相互作用是統一在一起的,描述那樣的狀態需要把廣義相對論和量子力學統一在一起,而這個工作現在還沒做好。

從10^(-43)秒開始,引力就脫離出來,單獨起作用了。那時候宇宙還是個直徑為10^(-35)米的一個小點,但溫度無比的高。

到10^(-35)秒的時候,強相互作用和“弱電相互作用”分開了。到稍微更晚的時候,弱相互作用和電磁相互作用分開了。

到一萬億分之一秒的時候,宇宙里有了粒子 —— 夸克和輕子已經出現了。電子就是我們最熟悉的“輕子”。這時候宇宙里有夸克和電子,還有反夸克和反電子。在當時那個高溫條件下,夸克和電子都可以自由行動,宇宙就好像是一鍋夸克輕子粥。

這鍋粥里的主要活動是正反物質的產生和湮滅。夸克和反夸克,電子和反電子一旦相遇就會湮滅并且釋放兩個極高能量的光子,光子又會再產生正反夸克和電子。


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這是一個非常有意思的機制。如果正反物質總是成對產生、成對消失,那為什么我們現在的宇宙里都是正物質,沒有反物質呢?

出于某種還不為物理學家完全理解的原因,每十億對夸克和反夸克湮滅,會留下一個正夸克作為幸存者 —— 我們今天的世界,都是這樣的幸存者組成的。

到百萬分之一秒的時候,整個宇宙已經膨脹到像太陽系這么大了,溫度進一步下降,? 夸克們會被三個一組束縛在一起,形成“重子” —— 也就是質子和中子。

但與此同時,質子和反質子,中子和反中子之間也要不停地發生碰撞湮滅變成光子,光子再生成正和反的質子和中子。正物質的質子和中子的幸存率,也是十億分之一。

到一秒的時候,宇宙已經膨脹到幾光年這么大了。更低的溫度使得質子和中子被結合在一起形成原子核,其中90%是氫原子核,剩下的10%是氦原子核,其他元素極少,都可以忽略不計。

這個時候,光子溫度只夠它產生正電子和反電子,但是電子和反電子之間也在不停地發生湮滅 —— 同樣的道理,因為十億分之一的幸存率,最后剩下的全是電子。

等到宇宙年齡是三十八萬年的時候,溫度低到讓所有電子都被原子核捕獲,變成氫原子和氦原子。

到十億年的時候,這些原子在引力的作用下結合在一起,就會變成恒星,然后這些恒星又會組成星系。那個時候,我們已經有了一千億個星系,每個星系里面會有幾千億個恒星。

其中有些比太陽大十倍的恒星,在高溫高壓之下,可以生產一些更重的元素,比如氧和碳之類。這些恒星最后會爆炸,重元素被傳播出來,散布在整個宇宙之中。正因為這樣,今天我們才會有這些重元素,否則宇宙中就幾乎全是氫和氦。

又過了九十億年,在宇宙中某個不起眼的地方產生了一個不起眼的恒星,這個恒星就是太陽。太陽所處的位置正好有很多重元素構成的氣體,這些氣體在引力作用下慢慢凝聚在一起,形成了行星。

其中某一顆行星,距離太陽不遠不近,正好允許液態水的存在,這個行星就是地球。此后又經過無數機緣巧合,地球上有了生命,生命演化,最后終于有了你。

有個著名的說法說,我們每一個人都是一億分之一的幸運者。這因為當初精子和卵子結合,是一億個精子中只有一個最終能進入卵子形成受精卵,在這場競爭中,我們每個人都打敗了一億個精子。

但是你想想宇宙的起源!我們的幸運度其實比這要嚴重得多 —— 構成你身體的、你周圍環境的每一個原子,都是這么幸運。每一個原子身上的每一個質子、中子、電子,都是正反物質湮滅中十億分之一的幸存者!



本文整理自萬維剛的精英日課

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