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宇宙的前20分鐘,它是什麼樣子,和我們現在有何不同?

作者:由 天文線上 發表于 文學日期:2022-07-03

有什麼意思就

當我們仰望我們所生活的宇宙,實際上我們看到的是它經歷137億年後的樣子。多虧了科學的發展,我們已經能夠追溯宇宙一開始就發生過的事情。所以,宇宙最開始的時候看起來是什麼樣子這個問題是公開的,今天我們就來回答這個特別的問題。宇宙一開始的二十分鐘是什麼樣子?

宇宙的前20分鐘,它是什麼樣子,和我們現在有何不同?

科學家對於宇宙最開始的幾秒幾分鐘發生的事情有清楚的結論。但在那之前所發生的,非常複雜。例如,在宇宙大爆炸之前有時間嗎?這聽起來是個讓人感到奇怪的問題,但許多科學家認為這個答案是否定的。因為如果我們返回到大爆炸之前的時間,我們會經歷從無限維n的區域到奇點時空區域。

宇宙的前20分鐘,它是什麼樣子,和我們現在有何不同?

不幸的是,根據我們現有理論,在奇點中,時間和空間破碎了。史蒂芬·霍金把大爆炸之前時間的問題比作詢問在北極的一個人往北怎麼走,這問題沒有意義。但一些科學家不同意這個觀點,他們認為甚至在大爆炸事件之前就有宇宙膨脹,量子力學在這樣小的尺度上佔了主導地位。無論如何,這個問題尚無定論。但我們可以看到大爆炸之後的瞬間。當我們研究宇宙起源時,我們所用的時間標準太長。在極短的時間內發生很多事,科學理論甚至涵蓋了大爆炸之後一萬億分之萬億分之萬億秒的事。

這一研究在最開始的階段就是量子宇宙學。在宇宙過度膨脹之前,宇宙有四種基本力:引力,強核力,弱核力和電磁力——統稱為宇宙力。在最開始的時候,物質與能量同樣不可分離。然而膨脹開始得很快,在第一秒的小段時間裡宇宙就變大了好幾倍。再快進一秒的小段,物質和能量就在量子合成的過程中解耦了。

宇宙的前20分鐘,它是什麼樣子,和我們現在有何不同?

物質產生的關鍵是光子的產生,這是因為當光子碰撞後它們會在一個稱為正反粒子對產生的過程中產生亞原子粒子和其反粒子。自然法則之所以能被創造就是因為有更多的正粒子產生,宇宙因而得以擁有物質。在宇宙大爆炸發生後的約0。0001秒後,宇宙的溫度降低到足以使粒子對停止產生,宇宙形成早期之時,統一自然力在自發對稱性破缺的過程中就被拆散成四種基本自然力,從那時起這四種基本自然力就給日後想要理解它們的科學家們留下了問題。

宇宙的前20分鐘,它是什麼樣子,和我們現在有何不同?

目前我們還沒有推匯出能夠統一四種基本力的方程或理論。其中重力更是一種極為特殊的存在。在大爆炸發生一秒後,中子從其他物質形式中解耦,並且形成宇宙中微子背景。如果我們所不確定的原初黑洞真的存在的話,那麼直至今天它們也會形成。電子在大爆炸後的四秒中不斷地產生,而當溫度降到足夠低——大約六十億開時,電子就停止產生了。

所以宇宙誕生後的大約四秒鐘左右就有了光子、中子、電子和質子;然而光子產生的數量比其它粒子更多。即使是這樣,但對於光線來說,宇宙還過於稠密而導致其不能存在,所以這時宇宙中的一切看起來都是昏暗的。在宇宙誕生的兩分鐘後,更多的事情發生了:此時溫度降至十二億開以下,氘原子或稱為“重氫”,已經能夠在這個溫度中形成。氘原子透過核合成過程使得更多複雜的原子核得以合成。之所以現在只有原子核形成,是由於溫度仍然過高的原因使得電子不能被原子核吸引結合從而形成原子。

宇宙的前20分鐘,它是什麼樣子,和我們現在有何不同?

在三分鐘後,由於宇宙膨脹的原因又使得溫度下降至十億開以下,這讓氦原子得以形成。氦原子是由兩個氘原子結合在一起形成的,而剩餘的能量會以光子的形式釋放出來。現在宇宙終於得以開始產生各式各樣的物質形式,儘管這些物質的總體組成為75%的氫和25%的氦。在這個物質誕生爆發的時期,其他的核諸如氦核、鋰核以及鈹核也得以生成,但是還沒有出現更重的核,這是因為現在沒有穩定的、能夠同時包含五個質子和中子的原子核,而那些嘗試進入氦核中的質子大多數都會被彈出氦核而告終。

因此,宇宙在原子核產生方面處於停滯狀態。在宇宙形成20分鐘後,核合成完全停止。但是由於過熱,合適的原子還不能形成,光子也無法傳播得太遠,所以宇宙處於一種暗等離子體狀態。此時,宇宙進入了一種平衡。炙熱的溫度扼殺了一切,所以在此後的2500年裡,大部分時間都極其平淡無奇。宇宙幾乎是平的,且充斥著大量的輻射。我們快進一下,看看後來發生了什麼。宇宙繼續膨脹和冷卻,但溫度必須急劇下降才能進入下一階段。

宇宙的前20分鐘,它是什麼樣子,和我們現在有何不同?

大概2500年後,物質終於開始主宰這個宇宙。又過了大概32。2萬年左右的時間,另一件有意思的事情發生了。此時的溫度已經陡降至大概3000開爾文。質子和電子可以相互吸引並形成我們現在所熟悉的原子。也就是所謂的重組時代,這是宇宙形成的重要節點,因為原子是宇宙萬物形成所必需的。同時,這也是“宇宙微波輻射”形成的時期,研究員們如今仍在使用這種輻射來窺探宇宙的過去。

然而直到宇宙初始形成38萬年後,才在黑暗中迎來了光。儘管如此,它仍然很暗,直到第一批恆星形成後才變得亮起來。但那已經是在宇宙大爆炸之後1億年的事情了。我們的宇宙發生過很多事情,令人驚訝的是很多事情甚至就發生在它存在的最初幾分鐘裡。最初的20分鐘異常忙碌,為我們今天所看到的一切奠定了基礎。這就是宇宙最初20分鐘的樣子。

宇宙的前20分鐘,它是什麼樣子,和我們現在有何不同?

相關知識

宇宙(拉丁文:universus),指所有的空間和時間[a]及其內涵,[10]包括行星、恆星、星系以及所有其他形式的物質和能量。大爆炸理論是關於宇宙演化的現代宇宙學描述。根據這一理論估計,空間和時間在137。87±0。20

億年前的大爆炸後同時出現,[11]而宇宙從那時起也一直在不斷地膨脹。雖然整個宇宙的空間大小是未知的,[3]但宇宙膨脹方程表明其直徑至少為23萬億光年,[12]

並且可以測量可觀測宇宙的大小,估計至今其直徑為930億光年。

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