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第一个原子是从哪里来的?

编辑:网友投稿来源:互联网整理更新时间:2020-12-04 09:31:05

简而言之,组成我们宇宙的原子来自于膨胀场极高的真空势能中储存的能量,膨胀场充满了整个空间,并导致了大爆炸后的膨胀期。

漫长的答案是,根据通胀ΛCDM的宇宙学模型创建原子的方式是通过这个过程:

大爆炸和大统一时代-从T=0到10−36秒

在宇宙大爆炸之后的直接膨胀时期到膨胀时期的开始,大统一时期会产生各种粒子,包括磁单极子。

从T=10 - 36秒到10 - 31秒的暴涨时期,

在膨胀时期,宇宙的体积增加了1078倍或更多。这将稀释大统一时代产生的所有粒子。这意味着,即使是那个时代的磁单极子(或任何其他粒子),也不太可能出现在我们目前的哈勃体积(我们可观测的宇宙)中。事实上,摆脱磁单极子是艾伦·古斯发明暴涨理论的最初动机。这种快速膨胀是由非常高的真空能量密度驱动的,它会缓慢地沿着一个浅斜坡滚下(慢滚膨胀):

第一个原子是从哪里来的?

在膨胀结束时,膨胀场将迅速沿势的陡峭部分滚下,直到势能为0时的最小值(称为真真空)。在这个快速滚动阶段之前,宇宙中成为我们可观测宇宙的那部分将是空无一物的,但它将被高能量密度的膨胀场势能填充。在快速滚到零电位的过程中(称为再加热),所有的高能真空膨胀势能都将转化为粒子,最终衰变或成为我们当前宇宙中的粒子。在重新加热结束的时候宇宙会充满高能量,高温的夸克胶子等离子体这些等离子体都是由膨胀场的势能产生的。这个夸克胶子等离子体中夸克和反夸克的数量是相等的。

超对称性破坏(投机)


如果超对称是我们宇宙的一种性质,那么它必须以不低于1tev(电弱对称尺度)的能量被打破。粒子的质量和它们的超伴粒子的质量将不再相等,这就可以解释为什么没有观测到已知粒子的超伴粒子。

为了解释为什么今天的宇宙中没有等量的物质和反物质,在这个时间点上,物质和反物质之间一定存在着某种轻微的不对称性,使得十亿物质粒子中有一个能在这个时期存活下来。这种不对称的确切机制目前还不清楚——这是物理学中尚未解决的问题之一。看到重子不对称。

从这一点上来说,物理学已经被很好地理解了,而不再是推测性的了。为此,我将从维基百科中复制相关章节(宇宙年表-稍加修改):

电弱对称破缺和夸克纪元-大爆炸后10 - 12秒到10 - 6秒


当宇宙温度降到某一非常高的能级以下时,希格斯场被认为自发地获得了一个真空期望值,打破了电弱规范的对称性。这有两个相关的影响:

弱力和电磁力及其各自的玻色子(W、Z玻色子和光子)在当今宇宙中的表现不同,范围不同;

通过希格斯机制,所有与希格斯场相互作用的基本粒子都变得有质量,而这些粒子在更高的能量水平上是无质量的。

在这个时代,万有引力的基本相互作用,电磁,强相互作用和弱相互作用已经造成了目前的形式,和基本粒子的质量,但宇宙的温度仍然太高,允许夸克结合在一起形成强子。

强子期-大爆炸后10 - 6秒到1秒之间


组成宇宙的夸克-胶子等离子体冷却,直到强子(包括质子和中子等重子)形成。在大爆炸大约1秒后,中微子解耦并开始在空间中自由移动。这个宇宙中微子背景,虽然不太可能被详细观察,因为中微子能量非常低,是类似的宇宙微波背景辐射,是后来发射。然而,有有力的间接证据表明宇宙中微子背景是存在的,这既来自大爆炸核聚变中氦丰度的预测,也来自宇宙微波背景的各向异性

轻子纪元——大爆炸后1秒到10秒之间


大多数强子和反强子在强子时代结束时相互湮灭,留下轻子和反轻子控制宇宙的质量。大爆炸大约10秒后,宇宙的温度下降到新的轻子/反轻子对不再产生的程度,大多数轻子和反轻子在湮灭反应中被消除,只留下少量的轻子残余

光子时代——大爆炸后10秒到38万年之间


在轻子时代结束时,当大多数轻子和反轻子湮灭后,宇宙的能量主要由光子占据。这些光子仍在频繁地与带电荷的质子、电子以及(最终)原子核相互作用,这种情况将持续38万年。

核合成——在大爆炸后3分钟到20分钟之间


在光子时代,宇宙的温度下降到原子核可以开始形成的点。质子(氢离子)和中子在核聚变过程中开始结合成原子核。自由中子与质子结合形成氘。氘迅速聚变成氦-4。核聚变只持续大约17分钟,因为宇宙的温度和密度已经下降到核聚变无法继续的程度。到那时,所有的中子都被并入氦原子核。这样氢的数量大约是氦-4的三倍(按质量计算),而其他原子核的数量也非常少。

物质统治——大爆炸后7万年


此时,非相对论性物质(原子核)和相对论性辐射(光子)的密度是相等的。牛仔裤的长度决定了可以形成的最小结构(由于万有引力和压力效应之间的竞争),它开始下降,扰动并没有被自由流动的辐射抵消,而是开始增加振幅。

根据ΛCDM,在这个阶段,冷暗物质主导,铺平了道路引力坍缩留下的小尺度放大宇宙膨胀,使密集区域密度和稀薄区域更加稀薄。然而,由于目前关于暗物质的性质的理论是不确定的,对于它的起源在更早的时间还没有一致的意见,就像目前存在于重子物质。

重组——大约在大爆炸后377,000年


在重组过程中,自由电子和原子核(主要是氢和氦)重组,宇宙第一次有了原子!在重组过程中光子与原子解耦这些光子的图像如图所示:

第一个原子是从哪里来的?

这张来自7年WMAP数据(2012年)的图像显示了从我们的角度看宇宙微波背景辐射(CMB)的变化。

等效的普朗克卫星图像为:

第一个原子是从哪里来的?

从此时起,宇宙以1100的线性因子膨胀;恒星、星系和星系团的形成,在大爆炸137.98亿年后。
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