飘天文学

第1章 看看宇宙大爆炸（第1页）

主角下达指令，带我进入宇宙大爆炸那一刻。

个人梦境机迷你版:主人，已准就绪。

进入梦境，宇宙大爆炸之旅开启。

一、物质无中生有的现象及相关理论

我们先来看三个现象：

1.在粒子对撞机里，两个高速运动的质子相撞后，变成了两个低速运动的质子、一个碳块和一个反碳块。我们都知道质子是由上夸克和下夸克组成，质子里并没有粲夸克，可最后竟然无中生有地多出来两个粲夸克。

2.两个能量极高的电磁波相撞，能在真空里变成一个正电子和一个负电子，这种现象被称为布莱特-惠勒过程。在我们的传统认知中，电磁波更偏向于能量，而电子更偏向于实体物质，这种现象表明能量可以转换成物质。

3.在一片什么都没有的真空里存在一个电场，只要电场的强度超过10的18次方伏特每米，就能在真空里激发出一个正电子和一个负电子，这种现象叫施温格效应。这就更令人震撼了，因为几乎不需要初始物质，只需加强电场就能凭空变出电子。

这三个现象揭示出一个规律：能量加真空等于粒子，这里的能量可以是任何形式的能量，比如动能、势能、辐射等等都可以。真空里虽然没有粒子，但有各种类型的场，如电子场、夸克场、希格斯场等等，只要给这些场提供能量就能激发出粒子。例如，只要给真空里的电磁场能量，就能激发出一个实体的电子；只要给真空里的夸克场能量，就能激发出一个实体的夸克。标准模型里所有的粒子都能通过这种方式无中生有。

二、宇宙大爆炸过程中的对称破缺

大爆炸后，在10的负43次方秒之内，人类已知的所有物理理论都失效，四种基本作用力在这个时间可能是统一的。10的负43次方秒的时候，宇宙的温度冷却到10的32次方摄氏度，引力率先从四种基本作用力中分离出来；10的负36次方秒的时候，宇宙的温度冷却到10的28次方摄氏度，强力又分离了出来；10的负12次方秒的时候，宇宙的温度冷却到10的15次方摄氏度，弱力和电磁力分离，至此四种基本作用力全部分离。

为什么四种力会分离呢？是因为宇宙温度的变化引发了相变。打个比方，水蒸气的温度下降到100°c的时候会发生相变，凝结成水，水的温度下降到0°c的时候，也会发生相变，冻成冰。四种力也是如此，随着宇宙温度的下降发生了三次相变，最终导致四种力分离。那什么是相变呢？相变的本质是对称破缺。

你可以简单这么理解，宇宙最开始高度对称，之后发生了三次对称破缺，每减少一部分对称性，就会分离出一种力。人类目前可以在粒子对撞机上验证最后一次对称破缺，只要温度超过10的15次方摄氏度，电磁力和弱力就会完完全全地统一在一起，无法区分。但是前两次的对称破缺由于粒子对撞机的能量不足，现在还无法通过实验验证。

除了这三种对称破缺，很多高能理论，例如弦论、量子引力等，都认为在极高的能量下，洛伦兹对称性会被破坏，狭义相对论不再成立。

一个完全对称的宇宙会是什么样子的？我们都知道，能量从真空里面激发出一个正粒子的同时，也一定会激发出一个反粒子，因为正反粒子相遇后会湮灭成光子，所以如果宇宙完全对称，就会全部变成光子。因此人类无法在完全对称的宇宙里面存活。

幸运的是，宇宙在10的负11次方秒的时候发生了cp对称破缺，导致正物质比反物质多了10亿分之1，最终形成了现在的正物质宇宙。宇宙在10的负12次方秒的时候还发生了希格斯场的对称破缺，这次对称破缺赋予了w、Z玻色子质量。宇宙在10的-6次方秒的时候发生了手征对称破缺。手征对称破缺是质子和中子质量的主要来源，因为人的质量主要来源于质子和中子，所以人的质量也主要与手征对称破缺密切相关。

宇宙大爆炸后至少发生了7种对称破缺，也就是说宇宙最开始的时候高度对称，之后在一次次的对称破缺中，宇宙的对称性不断降低，最终形成了我们这个世界。

三、粒子诞生及宇宙大爆炸后的演化

我们再来看看粒子是如何诞生的。我们都知道，温度越高的物体发出的光波长越短，单个光子的能量就越大，当光子的能量足够大的时候，就能在真空里面无中生有的激发出粒子。具体来说，宇宙的温度和能激发出的粒子质量由这个公式决定：公式里的k是波尔兹曼常数，t是宇宙的临界温度，m是粒子质量，c是光速。

如电子质量是9.1x10的负31次方千克，代入公式，我们可以计算出电子的临界温度是5.9x10的9次方摄氏度。也就是说，当宇宙的温度高于这个临界温度的时候，就能在真空里面激发出电子，当宇宙的温度低于这个临界温度的时候，就激发不出电子。同样的方法，我们可以用这个公式计算出上夸克的临界激发温度是2.8x10的10次方摄氏度，粲夸克的临界激发温度是1.5x10的13次方摄氏度等等。

宇宙大爆炸后，10的负12次方秒，宇宙的温度大概是10的15次方摄氏度，这个温度超过了标准模型所有粒子的临界温度。因此在这个时间之前，宇宙能在真空里面激发出所有类型的粒子，最终形成了一团以夸克、胶子、电子、光子为主的粒子云。

大爆炸后10的负6次方秒，宇宙的温度降到10的10次方摄氏度，三个夸克开始结合在一起，形成质子和中子。大爆炸后第3分钟到第20分钟，这时候宇宙的温度和压力跟太阳差不多，于是质子和中子在这段时间内就聚变成了氦、锂等原子核。这时候宇宙主要由原子核、电子和光子三种物质组成。但是这时候的原子核抓不住电子，因为温度实在是太高了，即使原子核抓住了电子，也会被能量极高的光子拆散。

大爆炸后第37万年，宇宙的温度下降到3000K，原子核就能稳稳地抓住电子了，于是就形成了原子。之后原子在引力的聚集下，经过几亿年的演化，最终形成了恒星和星系，宇宙就是这么一步步诞生的。

我们总结一下宇宙大爆炸的过程，从物质角度观察，粒子先是从真空里面被激发出来，之后一步步从小到大聚集；从能量角度观察，随着温度的降低，四种基本作用力一步步分离；从信息角度观察，宇宙最开始高度对称，之后至少发生了7次对称破缺，这就是宇宙大爆炸的整个框架。

四、宇宙大爆炸的证据

1.哈勃红移：1929年，哈勃发现所有的星系都正在远离我们，距离越远的星系，远离我们的速度就越大，这说明宇宙正在膨胀。如果倒放这个过程，你就会发现这些星系最开始应该是聚集在一起的，这就是宇宙大爆炸的最直接证据。

2.太初核合成：大爆炸理论认为宇宙在第3分钟到第20分钟之间发生了核聚变，质子、中子按照一定的方式核聚变成了氦二、氦三、氦四、锂等。

3.宇宙微波背景辐射：宇宙微波背景辐射是大爆炸模型极为有力的证据。下面看看它是如何产生的。

光子与带电荷的粒子会发生相互作用，比如因汤姆孙散射，光子的能量会降低且方向会偏转。宇宙大爆炸后形成了大量自由电子，由于自由电子带电荷，光子撞到自由电子上就会被散射，致使光子不断改变传播方向，这些自由电子如同迷雾般阻碍光子传播，此时宇宙是不透明的。

大爆炸后37万年，宇宙温度降至3000K，自由电子和质子结合形成氢原子，氢原子整体呈电中性，不会散射光子，于是阻碍消失，光子可无阻碍地长距离自由传播，宇宙也就变得透明了。这些自由传播的光子因空间膨胀不断被拉长，从原来的红外线波段被拉长到微波波段，就形成了宇宙微波背景辐射。

1948年，天文学家依据大爆炸模型预言存在这种辐射。1964年，贝尔实验室的两位工程师发现了它，并因此荣获1978年诺贝尔物理学奖。如今我们周围就存在大量宇宙微波背景辐射，每立方米空间平均约有4亿颗宇宙微波背景辐射的光子，它们是宇宙中最古老的光，穿越了138亿年才来到我们身边，静静诉说着宇宙大爆炸的故事。

4.宇宙年龄的计算：天文学家通过哈勃红移、宇宙微波背景辐射这两种独立的原理和不同方法，分别计算出宇宙年龄，发现二者结果差距不大，都在138亿年左右。并且测量大量古老天体的年龄，在误差允许范围内，没有一个天体年龄超过138亿年。这间接证明宇宙在138亿年前可能发生过一次重大事件。

5.模拟宇宙演化与观测结构相符：天文学家利用大爆炸模型模拟宇宙几亿年的演化过程，发现其能生成一种网状天体结构，这与目前天文望远镜观测到的超星系团、星系长城、空洞等大尺度纤维结构是一致的。

6.中微子背景辐射预测准确：大爆炸模型预测存在温度为1.95K的中微子背景辐射。2015年在宇宙微波背景辐射（cmb）上间接发现了温度为1.96K的中微子背景辐射，理论预测值1.95K与实测值1.96K较为接近，可见大爆炸模型的预测还是比较准确的。

二、宇宙大爆炸模型的缺陷及爆胀场理论

不过，大爆炸模型并非完美无缺，它存在至少三大缺陷，分别是视界问题、平坦性问题和磁单极子问题。下面我们来具体看看。

1.视界问题：这是宇宙大爆炸模型的一个突出缺陷。宇宙大爆炸后诞生了A、b两朵粒子云，因量子力学的随机性，两朵云的温度不同，假设A云温度是3500°c，b云温度是2500°c，且两朵云距离较远，A云在银河系左边，b云在银河系右边。

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