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也就是说,当宇宙的温度高于这个临界温度的时候,就能在真空里面激发出电子,当宇宙的温度低于这个临界温度的时候,就激发不出电子。
同样的方法,我们可以用这个公式计算出上夸克的临界激发温度是2.8x10的10次方摄氏度,粲夸克的临界激发温度是1.5x10的13次方摄氏度等等。
宇宙大爆炸后,10的负12次方秒,宇宙的温度大概是10的15次方摄氏度,这个温度超过了标准模型所有粒子的临界温度。
因此在这个时间之前,宇宙能在真空里面激发出所有类型的粒子,最终形成了一团以夸克、胶子、电子、光子为主的粒子云。
大爆炸后10的负6次方秒,宇宙的温度降到10的10次方摄氏度,三个夸克开始结合在一起,形成质子和中子。
大爆炸后第3分钟到第20分钟,这时候宇宙的温度和压力跟太阳差不多,于是质子和中子在这段时间内就聚变成了氦、锂等原子核。
这时候宇宙主要由原子核、电子和光子三种物质组成。
但是这时候的原子核抓不住电子,因为温度实在是太高了,即使原子核抓住了电子,也会被能量极高的光子拆散。
大爆炸后第37万年,宇宙的温度下降到3000K,原子核就能稳稳地抓住电子了,于是就形成了原子。
之后原子在引力的聚集下,经过几亿年的演化,最终形成了恒星和星系,宇宙就是这么一步步诞生的。
我们总结一下宇宙大爆炸的过程,从物质角度观察,粒子先是从真空里面被激发出来,之后一步步从小到大聚集;从能量角度观察,随着温度的降低,四种基本作用力一步步分离;从信息角度观察,宇宙最开始高度对称,之后至少发生了7次对称破缺,这就是宇宙大爆炸的整个框架。
四、宇宙大爆炸的证据
1.哈勃红移:1929年,哈勃发现所有的星系都正在远离我们,距离越远的星系,远离我们的速度就越大,这说明宇宙正在膨胀。
如果倒放这个过程,你就会发现这些星系最开始应该是聚集在一起的,这就是宇宙大爆炸的最直接证据。
2.太初核合成:大爆炸理论认为宇宙在第3分钟到第20分钟之间发生了核聚变,质子、中子按照一定的方式核聚变成了氦二、氦三、氦四、锂等。
3.宇宙微波背景辐射:宇宙微波背景辐射是大爆炸模型极为有力的证据。
下面看看它是如何产生的。
光子与带电荷的粒子会发生相互作用,比如因汤姆孙散射,光子的能量会降低且方向会偏转。
宇宙大爆炸后形成了大量自由电子,由于自由电子带电荷,光子撞到自由电子上就会被散射,致使光子不断改变传播方向,这些自由电子如同迷雾般阻碍光子传播,此时宇宙是不透明的。
大爆炸后37万年,宇宙温度降至3000K,自由电子和质子结合形成氢原子,氢原子整体呈电中性,不会散射光子,于是阻碍消失,光子可无阻碍地长距离自由传播,宇宙也就变得透明了。
这些自由传播的光子因空间膨胀不断被拉长,从原来的红外线波段被拉长到微波波段,就形成了宇宙微波背景辐射。
1948年,天文学家依据大爆炸模型预言存在这种辐射。
1964年,贝尔实验室的两位工程师发现了它,并因此荣获1978年诺贝尔物理学奖。
如今我们周围就存在大量宇宙微波背景辐射,每立方米空间平均约有4亿颗宇宙微波背景辐射的光子,它们是宇宙中最古老的光,穿越了138亿年才来到我们身边,静静诉说着宇宙大爆炸的故事。
4.宇宙年龄的计算:天文学家通过哈勃红移、宇宙微波背景辐射这两种独立的原理和不同方法,分别计算出宇宙年龄,发现二者结果差距不大,都在138亿年左右。
并且测量大量古老天体的年龄,在误差允许范围内,没有一个天体年龄超过138亿年。
这间接证明宇宙在138亿年前可能发生过一次重大事件。
5.模拟宇宙演化与观测结构相符:天文学家利用大爆炸模型模拟宇宙几亿年的演化过程,发现其能生成一种网状天体结构,这与目前天文望远镜观测到的超星系团、星系长城、空洞等大尺度纤维结构是一致的。
6.中微子背景辐射预测准确:大爆炸模型预测存在温度为1.95K的中微子背景辐射。
2015年在宇宙微波背景辐射(cmb)上间接发现了温度为1.96K的中微子背景辐射,理论预测值1.95K与实测值1.96K较为接近,可见大爆炸模型的预测还是比较准确的。
二、宇宙大爆炸模型的缺陷及爆胀场理论
不过,大爆炸模型并非完美无缺,它存在至少三大缺陷,分别是视界问题、平坦性问题和磁单极子问题。
下面我们来具体看看。
1.视界问题:这是宇宙大爆炸模型的一个突出缺陷。
宇宙大爆炸后诞生了A、b两朵粒子云,因量子力学的随机性,两朵云的温度不同,假设A云温度是3500°c,b云温度是2500°c,且两朵云距离较远,A云在银河系左边,b云在银河系右边。
思考一下,A云的热量能否传递给b云呢?答案是不能,因为热量传递速度不能超光速,而大爆炸后时间太短,A云没有足够时间把热量传递给b云,所以A、b两朵云会存在一定温度差。
天文学家依据大爆炸模型计算,微波背景辐射中至少应该有几万个像A、b云这样温度明显不同的区域。
但实际天文观测表明,微波背景辐射的温度差别极小,各个方向的温度仅有十万分之一的差别,即最冷的地方约2999.99°c,最热的地方约3000.01°c。
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