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宇宙的成分在三分钟内被选定_全球_鸡鸣网

放大字体  缩小字体 发布日期:2025-04-18 15:51:01    来源:本站    作者:admin    浏览次数:78    评论:0
导读

    显然,作为一名科学家——更具体地说,作为一名天体物理学家——我不能再说什么了:占星术是一个骗局。星星不会影响我们

  

  显然,作为一名科学家——更具体地说,作为一名天体物理学家——我不能再说什么了:占星术是一个骗局。星星不会影响我们的生活和命运。而且,作为一个“经典物理学家”,我相信科学是决定论的。物理定律支配着宇宙,因此,如果我们充分了解这些定律,同时考虑到初始条件并收集适当的数据,我们就可以理解任何系统的行为。

  如果我是一个更现代的物理学家——比如说一个量子物理学家——那么我就不得不考虑与某个机会相关的确定性限制,以及混沌理论的含义。

  宇宙最初的三分钟决定了宇宙当前的组成,以及随后的所有演化。换句话说,我们今天的样子——一切存在的,一切将存在的,一切不存在的和将不存在的——都是在短短三分钟内决定的!这些都是宇宙尺度上的命运要素。

  在宇宙的最初三分钟里发生了什么?显然,答案并不像这个问题看起来那么简单。这有几个方面。在这里,我将讨论其中的三个。

  第一个问题与宇宙“最初几分钟”的定义有关。我们天体物理学家——以及任何喜欢宇宙学的人——经常重申宇宙大约有140亿年的历史。目前最准确的估计是137.87亿年,正负相差2000万年。这个说法意味着时间有一个起源,那就是大爆炸。

  这个问题可能会出现——有些人可能会嘲笑它,但它绝不是愚蠢的,因为没有愚蠢的问题——关于之前发生的事情,或者时间是否可以是负的。但关键是大爆炸是时间的起源。时间是被创造出来的,或者——为了避免涉及神学问题——它是在大爆炸中出现的(正如我们今天所知道和生活的那样)。所以,宇宙的命运是在宇宙存在的最初三分钟内创造的,不仅是宇宙,还有时间本身。

  如果时间不存在,什么会存在?我不知道如何回答这个问题。

  为了回答关于宇宙最初三分钟的问题,我们要考虑的另一个方面是,我们周围看到的一切——我们称之为“可观测的”宇宙,它现在从你正在阅读这篇文章的屏幕延伸到我们所知道的最遥远的星系——在大爆炸三分钟后集中在一个极小的体积里,在今天的千万亿分之一到五分之一之间。就好像一个人只有一个原子那么大。

  “整个宇宙”不仅仅局限于这个体积,在宇宙的早期时期,附近的体积要大得多。但是宇宙的其他部分现在离我们太远了,我们对它们一无所知。我们经常说“我们和他们没有联系”,而不是认为这个遥不可及的宇宙和我们这个可观测的宇宙是一样的。

  在这样的规模下,宇宙的密度要高得多,温度也高得多。这意味着过去的婴儿宇宙与我们今天所知道的宇宙非常不同。但是(这是关键)在大爆炸后的第一秒到生命出现的第三分钟,宇宙的温度从大约1000亿度下降到10亿度,后者比太阳核心的温度高几十倍。

  科学家们已经能够在实验室里重现和研究这种剧烈的温度变化。具体来说,在大型强子对撞机(LHC)中,温度已经达到了5万亿度的数量级,比大爆炸第一秒时的宇宙温度高出10倍以上。因此,我们非常清楚宇宙形成的前三分钟发生了什么。

  在这180秒完成之前,主宰宇宙能量的是我们今天看来很正常的粒子:电子、中微子、光子——以及它们的反粒子——以及质子和中子,它们的反粒子已经从宇宙中消失了(至少从我们目前生活的宇宙中消失了)。然而,在第一秒之前,情况并非如此:还有其他更复杂的粒子,我们仍然不太了解。

  我们今天的物理知识——基于实验室工作——足以知道所有那些主导着膨胀宇宙能量的粒子是如何表现的。宇宙变得越来越大、越来越冷、越来越稀薄(也就是说,密度越来越小)。在某种程度上,类似于云中的气体如何冷却以及水甚至冰如何形成,整个宇宙在冷却时经历了状态的变化。但这个类比并不完美,因为与此同时,宇宙变得越来越不稠密,时空结构变得越来越大。结果是,最初——在大爆炸后的一秒钟内——所有上述粒子都在相互作用,电子与正电子碰撞并产生光子,或者光子与其他光子(它们的反粒子)碰撞并产生中微子和反中微子。它们也会与质子碰撞形成中子,反之亦然。到了第三分钟,所有这些相互作用都消失了。

  宇宙在这三分钟内膨胀和冷却的速度促成了这些事件。首先,中微子不再与其他正常粒子处于平衡状态:中微子和反中微子相互湮灭(除了一小部分),而那些幸存下来的中微子开始自由运动。今天,通过让中微子与质子或电子相互作用来阻止中微子仍然是非常困难的;计算表明,你需要一光年的铅才能实现相互作用(而我们周围一光年的星际介质的密度比铅小千万亿分之一)。自由运动意味着它们不再与质子和中子相互作用,而质子和中子在能量足够大的中微子和反中微子存在的情况下可以相互转化。但在大爆炸后的几秒钟内,这种情况就停止了:质子和中子的数量突然冻结了。

  在那之后不久——对我们来说不是很长时间,但我们说的是大爆炸之后,当宇宙的年龄每秒翻倍的时候——正电子和电子也停止了平衡。他们自我毁灭,只有少数人幸存。从那时起,宇宙中只有光子、质子、中子、电子和中微子。所有正常的物质都已经就位了。从那时起,它的进化开始按照自己的方式进行,最终以恒星的诞生而告终,随后是行星(或者可能同时出现气态行星)。

  在这一切之间,让我不要忘记提一下,还有另一种物质,它在很长一段时间里一直按照自己的方式存在着——也就是说,在第一秒之前很久——除了重力的影响外,它没有与光子和其他粒子相互作用。我指的是暗物质,它已经播下了星系形成的种子,而且在未来,它将主宰宇宙的能量,直到主导地位被其他东西完全取代。

  别忘了,这一切都发生在短短三分钟内。

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