宇宙的成长史

第五节　宇宙的成长史

在大爆炸“大事记”中，我们着重介绍可以最好地解释现有观测的那些转变过程，但对于大爆炸最初的几分钟，相关的观测严重缺乏，最早期宇宙物质的实际形式在很大程度上仍然只是猜测而已。

美丽而神秘的宇宙

一、时间≈0秒：开端

我们的宇宙在130亿～200亿年前是具有开端意义的时刻，这一点是现代科学中最令人惊讶的发现之一。越对证据仔细考察，越会迫使我们去大胆猜测，空间和时间诞生于某种超时空之中——被一些宇宙学家称为量子真空。

二、时间≈10^－43秒，温度≈10³²开：普朗克时期

大爆炸后又过了10^－43秒，我们得以用物理术语来讨论大爆炸，在这之前，宇宙的密度可能超过每立方厘米10⁹⁴克——超过质子密度的10⁷⁸倍！在这种物质极端聚集的情况下，亚微观粒子的量子性质与引力效应完全融合在一起，在人类发展出可行的量子引力理论之前，我们只能用猜测去思考这一萌芽状态的宇宙到底发生过什么。

当宇宙到了普朗克时期（得名于量子物理学家普朗克），膨胀着的宇宙已经冷却到了引力可以从中分离出来并开始独立起作用的阶段，空间和时间的概念开始具有一些意义了，我们的宇宙也开始成形。

宇宙大爆炸示意图

三、时间≈10^－35秒，温度≈10²⁷开：暴涨期

又经过1亿个普朗克时间，宇宙在继续膨胀并已冷却到强作用力被从电弱力中分离出来。强作用力的释出伴随着巨大的潜能释放，这一过程如同液体水凝固成同样温度的晶体冰时，会释放出潜热，这一神秘的能量也被认为来自于量子真空。在保持膨胀宇宙的温度和能量密度恒定的情况下，量子真空驱动着膨胀越来越快地进行。

暴涨期又持续了10^－33秒，但就在这转瞬间，宇宙经历了100次加倍膨胀——得到的尺度约是先前的10³⁰倍。在暴涨之前，宇宙的尺度仅为质子半径的万亿分之一，而今天的宇宙，半径已达到了140亿光年。暴涨期结束于另一次相变，与这次相变同时发生的是潜能转变为大群的光子和其他粒子。到暴涨结束的时候，各物质都已在各自的小区域中稳定了下来。

四、时间≈10^－12秒，温度≈10¹⁵开：粒子期

经过了相对漫长的时期（10¹¹个暴涨期），宇宙变得足够冷了，电弱力已经被分解为电磁力和弱相互作用力，之前相互作用的光子、玻色子、中微子、电子、夸克以及胶子逐渐稳定下来，成为人们现在所获得的普通物质。其中，质子、中子以及它们的反粒子是首批从冷却的沼泽中被分离出来的粒子，它们的质量、电荷以及自旋态上的差异来自于组成它们的三个一组的夸克，这些相对较重的粒子被称为重子。而质量较小的轻子（包括电子、中微子以及相应的反粒子），则需要等宇宙继续冷却10^－4秒后才会从其他粒子的平衡相互作用中分离出来，成为独立的个体。一旦中微子从物质中解耦出来（耦合是指两个或两个以上的体系或两种运动形式间通过相互作用而彼此影响以至联合起来的现象。解耦则是指从耦合中分离出来），它们将自由地穿越于时空之中。原则上讲，我们可以探测到这些原始的中微子，但是宇宙的膨胀把它们的能量降到极低，这使得探测到它们的可能性大大降低。

不断膨胀的宇宙

宇宙大爆炸模型

一般认为，此时人们所得到的粒子和反粒子的数目与光子的数目大致相同，但事实并非如此。粒子和反粒子之间强烈的湮灭活动导致了人们今天所看到的情形——每10亿个光子才会有一个粒子，而反粒子则根本没有发现过。

五、时间≈100秒，温度≈10⁹开：核时期

几秒钟过后，粒子创生时期结束，此时的宇宙温度已降到了10¹⁰开以下，其他粒子的转变都已不可能。在接下来的3分钟左右时间里，质子和中子融合为一体，合成各种轻元素的原子核。这与发生超新星爆炸前的超巨恒星核心处的情况差不多，氢弹的热核爆炸是地球上与之最为接近的类比，这为我们理解宇宙核合成反应提供了重要的依据。

远古遥远的星系

宇宙冷却到几百万开的时候，24%的氢核质子与中子聚合形成氦4。与此同时，微量的氘（氢2）、氦3以及锂7也被制造出来。如今，这些元素的相对丰度可以在恒星大气和充满星际、星系际空间的尘埃云中观测到。观测结果与大爆炸核合成理论很吻合，从而成为大爆炸宇宙学中最令人信服的证据之一。

六、时间≈10¹¹秒≈10⁴年，温度≈10⁵开：物质期

在宇宙的整个早期历史中，光主宰着各种能量形式。随着宇宙的膨胀，电磁辐射的波长被拉长，相应的光子能量也跟着减小。因此，辐射能量密度与尺度（R）和体积（4πR³／3）的乘积成反比减小，而物质的能量密度只是简单地与体积成反比，即按1／R³规律下降。约1万年之后，物质密度追上辐射密度并开始超越。从那时起，宇宙和它的动力学开始为物质所主导。

但我们不要忘了量子真空。它在暴涨期达到全盛，之后，它被认为以暗能量的方式弥漫于全宇宙。随着物质和辐射密度迅速减小，暗能量越来越明显。至此，暗能量可能占据了宇宙总能量密度的三分之二——从而推动了宇宙的加速膨胀，这很类似于昔日远为剧烈的暴涨。

七、时间≈10¹³秒≈3×10⁵年，温度≈3000开：原子期

物质成为宇宙中能量的主导后不久，温度就已经降到了足够低，从而可以使电子与核结合形成原子。当温度降到3000开后，自由核和电子就组成为电中性的原子，此时的光子可以不再每经过几个原子尺度就被自由电荷散射了，而是可以自由地在时空中传播了。

光子和物质的解耦，也意味着物质最终可以不受辐射场的阻挠，并在引力作用下自由集结。也正是在这种引力的作用下，高密度和低密度扰动随着宇宙的碰撞而增长。今天，宇宙比它在解耦期大了1000倍，密度不均匀性成比例地增大，从而导致物质浓缩，这也解释了今天人们所看到的宇宙中的结构。

大爆炸之后不久，物质从近乎完美的均匀分布开始，渐渐凝聚成各种大小的团块，进而形成巨大的星系团和超星系团，以及那些星系团里的星系。各个星系里面那几十亿颗聚集在一起的恒星，还有小得多的天体——行星以及它们的卫星、小行星和彗星，在轨道上围绕着许多恒星转动。

实践馆：

1.去图书馆查阅相关的科普书籍，了解不同时期人们对宇宙的探索活动。

2.向物理老师请教，了解宇宙起源的相关内容。

3.试读一下俄裔美国物理学家和天文学家伽莫夫的著作《物理世界奇遇记》，他将现代物理学那些抽象的理论以及复杂的数学知识化为生动形象的故事，以此让我们对这个宇宙有比较全面深入的认识。