【宇宙科普】宇宙大爆炸後的第一秒內,到底發生了什麼?

薛定諤的貓 2021/04/27 檢舉 我要評論
 

哇!真的第一次見哎,知識不會,衹是姿勢不對;科學凡此種種,用人話講才能聽懂

文/天空之城團隊

 

大約138億年前,我們的宇宙從一次大爆炸中誕生。也許你覺得這種事太過於離奇,但它確實是事實。

(圖片說明:宇宙大爆炸假想圖)

大爆炸的第1秒

在大爆炸的一瞬間,宇宙達到了溫度的極限,也就是普朗克溫度——1.4億億億億攝氏度,而且體積非常小。在接下來的1秒鐘之內,宇宙經歷了一段非常特殊的時期。1秒鐘對於我們來說幾乎是一眨眼的事,對於今天的宇宙來說更是連一瞬間都不如。但是對於剛剛經歷了大爆炸的嬰兒宇宙來說,這段時間內發生的事遠遠超出了你的想象。

首先在10^-33秒內,宇宙進入了暴脹時期。在如此短的時間內,宇宙的體積膨脹了2^100倍!接下來,導致宇宙發生暴脹的因素衰變、消失,取而代之的是充斥在宇宙中的各種輻射。

隨後,誇克出現了。今天我們無法觀測到單獨的誇克,因為它們之間的聯繫太過於緊密。但是在剛剛經歷了暴脹的宇宙中,這些誇克反而無法結合,只能和膠子彌漫在宇宙空間中,這就是我們所說的誇克湯。

到了大爆炸後的10^-12秒,宇宙的溫度雖然還是非常高,但已經不再足以將誇克分離了。於是,在膠子的作用下,誇克們相互結合,形成了重子,其中最常見的就是質子和中子。接下來,中微子、電子等粒子也逐漸形成。

質子和中子形成了宇宙中最早的物質元素,其中絕大部分是氫,還有少部分的氦以及極其微量的鋰。它們從等離子態逐漸轉變成了中性,後來結合在一起形成了恒星,最後形成了今天的宇宙。

你可能不相信,但恒星形成之前我們描述的內容,都是在大爆炸後僅僅1秒的時間裡所發生的。大體上來說,科學家們對此已經達成了共識,不過其中仍然有很多細節是未知的,而且還有很多是超出了人類的認知范圍的。為此,科學家們仍然在進行著不斷的嘗試,力求能夠找到這些謎題的答案。

未知的謎題

暗物質首先一個問題就非常令人困擾,那就是暗物質。

我們知道,這種神秘的物質今天佔據了大約85%的宇宙質量,但卻不與可見物質發生除引力之外的相互作用。因此,直到今天,科學家們對於暗物質的瞭解仍然幾乎是0。

剛才我們已經介紹了科學家分析的可見物質是如何在早期宇宙中誕生的,可是,對於暗物質的形成,科學家們仍然沒有找到什麼解釋的方法。它到底是一開始隨著可見物質一同形成的、還是後來才逐漸出現的?在可見物質形成的過程中,它是否參與了其中的某些進程,還是與可見物質井水不犯河水呢?

反物質

和暗物質一樣,反物質也是一種很神秘的物質,並且深深地困擾著科學家。不同的是,暗物質的出現讓人困惑,而反物質則是因為消失而讓人百思不得其解。

反物質是電荷與普通物質相反,但其他參數相同的物質。反物質和物質通常都是成對出現,並且在一起會發生湮滅,轉化為能量。按照這個理論,宇宙在大爆炸時就應該產生等量的物質和反物質,然後二者相互湮滅,最終完全消失。

然而,正如我們今天所看到的那樣,宇宙已經被物質所統治了。那麼,反物質去哪了呢?我們知道一定有某種未知的機制導致了這個結果,但這種機制到底是什麼呢?

原初黑洞

20世紀70年代,著名物理學家霍金首次提出了原初黑洞的概念。和普通的黑洞通過大質量恒星死亡時核心的坍縮來形成不同,原初黑洞的形成源自於大爆炸早期宇宙物質比較密集,所以可能直接坍縮而形成。

由於原初黑洞是在宇宙的高壓力下形成的,因此質量也不受到限制。典型的原初黑洞質量可能達到10億噸,但是最小的黑洞甚至可能只有原子或中子那麼大,極其微小,所以也可以稱為量子黑洞。

原初黑洞普遍非常小,即使是10億噸的質量,史瓦西半徑也遠遠小於人類可觀測的范圍。而且,這麼小的黑洞,連霍金自己的原理都不允許它們堅持到今天。對於那些量子黑洞來說,早在很久以前就通過霍金輻射而徹底蒸發了。因此,宇宙大爆炸初期到底有沒有原初黑洞的形成,至今仍然是個謎。

暴脹

關於暴脹期本身,科學家們也一頭霧水。首先,到底是什麼樣的機制導致了宇宙以如此驚人的速度迅速膨脹呢?其次,為何暴脹期僅僅持續了連一瞬間都不到的時間後就結束了呢?還有,到底是什麼樣的機制結束了宇宙的這次瘋狂膨脹呢?

同時,關於暴脹期持續的時間,科學家們也還有所爭議。它真的只持續了這麼短的時間嗎?或者可能持續了1秒的時間,所以才能夠讓我們意識到它的存在?

科學家該怎麼辦?

雖然目前科學家已經找到了越來越多證明宇宙大爆炸的證據,並且已經推測出了很多細節,但上面這些謎題和很多我們沒有介紹的問題,依然是非常棘手的。對於科學家們來說,還有很長的路要走。目前來說,科學家們也找到了一些方法來進行嘗試——

粒子對撞機:雖然我們不可能回到宇宙的起點去看看當時發生了什麼,但是憑藉著強大的粒子對撞機,科學家們還是可以儘量模擬那種極端的環境,瞭解宇宙早期可能發生的事;

宇宙微波背景輻射:在大爆炸的38萬年後,宇宙中的等離子體逐漸過渡到了中性氣體狀態。混沌的宇宙中,光終於可以自由移動,這最初的輻射如今已經成為了彌散在宇宙中的微波,科學家們可以通過它瞭解早期宇宙。而且,如果當時真的形成了原初黑洞,科學家有望看到它們會宇宙微波背景輻射的影響;

引力波:宇宙早期也有大量的引力波出現,並且殘留到了今天,這也是我們瞭解這段歷史的重要工具。隨著人類的引力波探測技術不斷提升,科學家們也將可以獲得更多關於宇宙大爆炸的資訊,破解其中的謎題。

我們距離宇宙的最深處秘密,已經越來越近了。

 

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