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主角下达指令,带我进入宇宙大爆炸那一刻。
个人梦境机迷你版:主人,已准就绪。
进入梦境,宇宙大爆炸之旅开启。
一、物质无中生有的现象及相关理论
我们先来看三个现象:
1.在粒子对撞机里,两个高速运动的质子相撞后,变成了两个低速运动的质子、一个碳块和一个反碳块。
我们都知道质子是由上夸克和下夸克组成,质子里并没有粲夸克,可最后竟然无中生有地多出来两个粲夸克。
2.两个能量极高的电磁波相撞,能在真空里变成一个正电子和一个负电子,这种现象被称为布莱特-惠勒过程。
在我们的传统认知中,电磁波更偏向于能量,而电子更偏向于实体物质,这种现象表明能量可以转换成物质。
3.在一片什么都没有的真空里存在一个电场,只要电场的强度超过10的18次方伏特每米,就能在真空里激发出一个正电子和一个负电子,这种现象叫施温格效应。
这就更令人震撼了,因为几乎不需要初始物质,只需加强电场就能凭空变出电子。
这三个现象揭示出一个规律:能量加真空等于粒子,这里的能量可以是任何形式的能量,比如动能、势能、辐射等等都可以。
真空里虽然没有粒子,但有各种类型的场,如电子场、夸克场、希格斯场等等,只要给这些场提供能量就能激发出粒子。
例如,只要给真空里的电磁场能量,就能激发出一个实体的电子;只要给真空里的夸克场能量,就能激发出一个实体的夸克。
标准模型里所有的粒子都能通过这种方式无中生有。
二、宇宙大爆炸过程中的对称破缺
大爆炸后,在10的负43次方秒之内,人类已知的所有物理理论都失效,四种基本作用力在这个时间可能是统一的。
10的负43次方秒的时候,宇宙的温度冷却到10的32次方摄氏度,引力率先从四种基本作用力中分离出来;10的负36次方秒的时候,宇宙的温度冷却到10的28次方摄氏度,强力又分离了出来;10的负12次方秒的时候,宇宙的温度冷却到10的15次方摄氏度,弱力和电磁力分离,至此四种基本作用力全部分离。
为什么四种力会分离呢?是因为宇宙温度的变化引发了相变。
打个比方,水蒸气的温度下降到100°c的时候会发生相变,凝结成水,水的温度下降到0°c的时候,也会发生相变,冻成冰。
四种力也是如此,随着宇宙温度的下降发生了三次相变,最终导致四种力分离。
那什么是相变呢?相变的本质是对称破缺。
你可以简单这么理解,宇宙最开始高度对称,之后发生了三次对称破缺,每减少一部分对称性,就会分离出一种力。
人类目前可以在粒子对撞机上验证最后一次对称破缺,只要温度超过10的15次方摄氏度,电磁力和弱力就会完完全全地统一在一起,无法区分。
但是前两次的对称破缺由于粒子对撞机的能量不足,现在还无法通过实验验证。
除了这三种对称破缺,很多高能理论,例如弦论、量子引力等,都认为在极高的能量下,洛伦兹对称性会被破坏,狭义相对论不再成立。
一个完全对称的宇宙会是什么样子的?我们都知道,能量从真空里面激发出一个正粒子的同时,也一定会激发出一个反粒子,因为正反粒子相遇后会湮灭成光子,所以如果宇宙完全对称,就会全部变成光子。
因此人类无法在完全对称的宇宙里面存活。
幸运的是,宇宙在10的负11次方秒的时候发生了cp对称破缺,导致正物质比反物质多了10亿分之1,最终形成了现在的正物质宇宙。
宇宙在10的负12次方秒的时候还发生了希格斯场的对称破缺,这次对称破缺赋予了w、Z玻色子质量。
宇宙在10的-6次方秒的时候发生了手征对称破缺。
手征对称破缺是质子和中子质量的主要来源,因为人的质量主要来源于质子和中子,所以人的质量也主要与手征对称破缺密切相关。
宇宙大爆炸后至少发生了7种对称破缺,也就是说宇宙最开始的时候高度对称,之后在一次次的对称破缺中,宇宙的对称性不断降低,最终形成了我们这个世界。
三、粒子诞生及宇宙大爆炸后的演化
我们再来看看粒子是如何诞生的。
我们都知道,温度越高的物体发出的光波长越短,单个光子的能量就越大,当光子的能量足够大的时候,就能在真空里面无中生有的激发出粒子。
具体来说,宇宙的温度和能激发出的粒子质量由这个公式决定:公式里的k是波尔兹曼常数,t是宇宙的临界温度,m是粒子质量,c是光速。
如电子质量是9.1x10的负31次方千克,代入公式,我们可以计算出电子的临界温度是5.9x10的9次方摄氏度。
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