大爆炸產生了我們現(xiàn)在的宇宙,我們的宇宙包括了所有的空間和時間以及其它的質能,也包括了塵埃、彗星、小行星、衛(wèi)星、行星、恒星、星系以及所有其他形式的物質和能量。雖然整個宇宙的空間大小仍然是未知的,但是現(xiàn)在,我們可以測量可觀測到的宇宙。
宇宙中一切的能量、物質、空間以及時間都從大爆炸開始,初始宇宙由一個密度和溫度都無限高的狀態(tài)組成,這被稱為奇點。隨后開始出現(xiàn)宇宙暴脹現(xiàn)象,當暴脹結束時,構成宇宙的物質包括夸克-膠子等離子體,以及其他所有基本粒子。隨后重子數產生,夸克和膠子結合形成了諸如質子和中子的重子族。在大爆炸發(fā)生的幾分鐘后,少數質子和所有中子結合,組成氘和氦的原子核。在大約37.9萬年之后,電子和原子核結合成為原子(主要是氫原子)。由于密度的波動,一些區(qū)域的氫分子云開始聚集收縮,最后形成恒星以及星系,也就是我們現(xiàn)在所認知的宇宙。
從大爆炸形成的宇宙演化圖解(左)。在這幅圖中宇宙以二維呈現(xiàn),第三維度是時間,向右是時間流動的方向。圖:NASA
自然時間線,圖WJ百科
利用廣義相對論我們現(xiàn)在可以在時間上將宇宙的膨脹回溯到過去,在宇宙最開始的有限時間上會產生一個密度和溫度無限大的狀態(tài)。這種奇異性表明,廣義相對論不能充分描述這種狀態(tài)下的物理定律。僅僅基于廣義相對論的模型不能推測普朗克時代末期之后的奇點。
這個原始的奇點本身有時可被稱為“大爆炸”,但是這個術語也可以指早期宇宙中一個更普遍的,熱而稠密的階段。無論哪種情況,“大爆炸”作為一個事件,可以說是 “誕生”了我們現(xiàn)在的宇宙,因為它代表了宇宙歷史上的一個開始點,在這個點上,宇宙被證明進入到了一個我們可以理解的物理定律(特別是廣義相對論和粒子物理學的標準模型),即從這一刻起,我們的物理定律才開始變得有效。
根據大爆炸理論,宇宙是由一個極緊密、極熾熱的奇點膨脹到現(xiàn)在的狀態(tài)。圖:Universe expansion cn
宇宙大爆炸的最早階段受到很多猜測。在最常見的模型中,宇宙均勻地和各向同性地被填充,具有非常高的能量和密度以及極大的溫度和壓力,并且會非??焖俚嘏蛎浐屠鋮s。在進入膨脹后大約10的負37次方秒,相變會導致宇宙暴脹,在此期間宇宙會成指數倍增長,由于不確定性原理而發(fā)生的密度波動被放大成“宇宙胚胎”,隨后會形成宇宙的大尺度結構。在暴脹停止后,宇宙會重新加熱,加熱到宇宙可以產生夸克 - 膠子等離子體以及所有其他基本粒子所需的溫度。這個時期的宇宙,溫度依舊非常的高,以至于粒子的隨機運動處于相對論速度,各種粒子 - 反粒子對在碰撞中不斷產生和湮滅。在某種程度上,一種稱為重子生成的未知反應違反了重子數的守恒,導致夸克和輕子的數量略微超過了反夸克和反輕子- 超過的范圍大約在三千萬分之一。這導致了正物質在當前宇宙中比反物質更占優(yōu)勢。
宇宙的密度持續(xù)下降并且溫度也隨之下降,因此每個粒子的典型能量也在下降。明顯對稱性破缺相變將物理學的基本力和基本粒子的參數置于它們目前的形式中。在大約10的負11次方秒之后,由于粒子能量下降到在粒子加速器中可以達到的值,所以圖像變得不那么具有推測性。在大約10的-6次方秒時,夸克和膠子結合形成質子和中子等重子。與夸克相比,夸克的微量過剩導致重子的數量略微超過了反重子。此時宇宙的溫度已經不再高到足以產生新的質子 - 反質子對(類似于中子 - 反中子)了,因此緊隨其后的是質量湮滅,只留下10的10次方個原始質子和中子中的一個,而沒有任何與它們對應的反粒子。電子和正電子在大約1秒時發(fā)生了類似的過程。湮滅之后,剩下的質子、中子和電子不再相對性地運動,宇宙的能量密度主要由光子(中微子的貢獻很?。﹣砜刂?。
在很長一段時間內,宇宙中的物質幾乎均勻地分布,它們會受到附近物質的引力擾動,而變得不那么均勻。隨后由于引力的效應相互吸引,因此某些區(qū)域會變得非常的密集,從而會形成氣體云、恒星、星系和今天我們可觀測到的其他宇宙結構。此過程的細節(jié)主要取決于宇宙中物質的數量和類型。四種可能的物質類型被稱為冷暗物質,溫暗物質,熱暗物質和重子物質。威爾金森微波各向異性探測器(WMAP)提供的最佳測量結果表明,該數據非常適合Lambda-CDM模型,其中暗物質被認為是冷的(早期再電離不能排出溫暗物質),估計約占宇宙物質能量的23%,而重子物質約占4.6%。在包含中微子形式的熱暗物質的“擴展模型”中,如果“物理重子密度”估計值在大約0.023(這不同于以總物質/能量密度的一部分表示的“重子密度”,如上所述,其約為0.046。)左右,并且相應的冷暗物質密度約為0.11左右,那么其對應的中微子密度估計小于0.0062。
哈勃超深空再次展現(xiàn)布滿星的遠古時代,告訴我們遠古的星系是什么樣子。圖:NASA and the European Space Agency
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