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当宇宙处于最热的时候是什么样子?

2018-10-30 18:21| 发布者: 鸿涛| 查看: 70| 评论: 0

摘要: 高能粒子碰撞可以产生“物质-反物质对”或光子,而“物质-反物质对”也会湮灭以产生光子。在热大爆炸的初期,宇宙充满了粒子、反粒子和光子,它们相互作用、湮灭并产生新的粒子,所有这些都是在宇宙膨胀和冷却的过程 ...
当宇宙处于最热的时候是什么样子?

高能粒子碰撞可以产生“物质-反物质对”或光子,而“物质-反物质对”也会湮灭以产生光子。在热大爆炸的初期,宇宙充满了粒子、反粒子和光子,它们相互作用、湮灭并产生新的粒子,所有这些都是在宇宙膨胀和冷却的过程中发生的。

当我们今天向外看宇宙时,我们看到它充满了恒星和星系,在各个方向和空间的所有位置。宇宙不是静止的;遥远的星系以群和星系团的形式结合在一起,这些星系团和星系团作为膨胀的宇宙的一部分,彼此快速远离。当宇宙膨胀时,它不仅变得更薄,而且更冷,当单个光子在空间中传播时,它们的波长会变得更红。

但这意味着,如果我们回顾过去,宇宙不仅密度更大,而且更热。如果我们一直回到这个描述适用的最早时刻,回到大爆炸的最初时刻,我们来到宇宙的时候,它正处于绝对最热的时刻。那时的生活是这样的。

当宇宙处于最热的时候是什么样子?

标准模型的夸克、反夸克和胶子都有颜色电荷,除了质量和电荷等其他性质。据我们所知,所有这些粒子都是点形的,而且是三代以内的。在更高的能量下,仍有可能存在更多类型的粒子。

在今天的宇宙中,粒子遵循一定的规则。它们大多数有质量,对应于粒子存在的内在能量总量。它们可以是物质(对于费米子),反物质(对于反费米子),也可以不是物质(对于玻色子)。有些粒子是无质量的,这就要求它们以光速运动。

当对应的物质/反物质对相互碰撞时,它们会自发地湮灭,通常产生两个无质量的光子。当你以足够大的能量将任何两个粒子粉碎在一起时,就有可能自发地产生新的物质/反物质粒子对。只要有足够的能量,根据爱因斯坦的E = mc²,我们可以把能量变成物质,反之亦然。

当宇宙处于最热的时候是什么样子?

纯能量的物质/反物质对(左)的产生是一个完全可逆的反应(右),物质/反物质湮没在纯能量中。这种产生和湮灭的过程,遵循E = mc²,是唯一已知的方法来创建和摧毁物质和反物质。

嗯,早期的情况确实不同!在大爆炸早期我们发现的超高能量,标准模型中的每个粒子都是无质量的。希格斯粒子的对称性在这些温度下完全恢复,这种对称性在粒子破裂时产生质量。它太热了,不仅不能形成原子和束缚原子核,甚至连单独的质子和中子都是不可能的;宇宙是一个热的、密集的等离子体,充满了所有可能存在的粒子和反粒子。

能量是如此之高,以至于即使是最神秘的粒子和反粒子,中微子和反中微子,也比任何时候都更频繁地撞击其他粒子。每一个粒子都以每秒几万亿次的速度撞击,都以光速运动。

当宇宙处于最热的时候是什么样子?

早期的宇宙充满了物质和辐射,它是如此的炙热和稠密,以至于它在最初几秒内阻止了质子和中子的稳定形成。然而,一旦反物质湮灭,我们就会产生大量的物质和辐射粒子,以接近光速的速度快速运动。

除了我们所知道的粒子之外,可能还有我们今天不知道的其他粒子(和反粒子)。宇宙比我们能在地球上看到的任何东西都要热得多,也更有活力——比最高能量的宇宙射线还要大一百万倍,比LHC的能量还要强几万亿倍。如果宇宙中有额外的粒子产生,包括:

  • 超对称粒子,
  • 大统一理论预测的粒子,
  • 粒子可通过大的或扭曲的额外维度,
  • 组成我们现在认为是基本粒子的小粒子,
  • 沉重的右手中微子,
  • 或者是各种各样的暗物质候选粒子,

年轻的后大爆炸宇宙创造了它们。

当宇宙处于最热的时候是什么样子?

早期宇宙的光子、粒子和反粒子。它当时充满了玻色子和费米子,以及所有你能想到的反费米子。如果我们还没有发现额外的高能粒子,它们也可能存在于这些早期阶段。

值得注意的是,尽管有这些难以置信的能量和密度,还是有极限的。宇宙从来都不是任意的热和稠密,我们有观测证据来证明这一点。今天,我们可以观察宇宙微波背景:宇宙大爆炸留下的辐射余辉,在所有方向上所有地方都是均匀的2.725K,但也有微小的波动,只有几十或几百微开尔文的波动。多亏了普朗克卫星,我们把它绘制得非常精确,角度分辨率下降到0.07度。

当宇宙处于最热的时候是什么样子?

宇宙微波背景的波动在20世纪90年代首次被COBE精确地测量,然后在21世纪的WMAP和2010年代的普朗克(上图)更精确地测量。这幅图像编码了大量关于早期宇宙的信息,包括它的组成、年龄和历史。波动的幅度只有几十到几百微开尔文。

这些波动的光谱和幅度告诉我们宇宙在大爆炸早期最热阶段可能达到的最高温度:它有一个上限。在物理学中,最大的可能能量是普朗克尺度,大约是10^19 GeV,GeV是加速一个电子到十亿伏的能量。超出这些能量,物理定律不再有意义。

当宇宙处于最热的时候是什么样子?

在宇宙中我们与之交互的对象范围从非常大,宇宙尺度下降到10 ^ -19米,由LHC的最新纪录。然而,在普朗克尺度下(在大小上)和在能量上(在能量上)有很长的一段路要走。

但是考虑到我们在宇宙微波背景下的波动图,我们可以得出这样的结论:这些温度从未达到过。宇宙所能达到的最高温度,正如宇宙微波背景的波动所显示的,只有~1016 GeV,比普朗克尺度小1000倍。换句话说,宇宙有可能达到的最高温度,它明显低于普朗克尺度。

这些波动不仅仅告诉我们大爆炸达到的最高温度;它们告诉我们,在宇宙中播下了什么种子,让它们长成我们今天拥有的宇宙结构。

当宇宙处于最热的时候是什么样子?

空间中比平均密度稍高的区域将会产生更大的引力势阱,这意味着来自这些区域的光在到达我们的眼睛时显得更冷。反之,密度较低的区域就像热点,而密度完全平均的地区则会有完美的平均温度。

冷点是冷的,因为光有一个稍微大一点的重力势可以爬出来,对应一个比平均密度大的区域。相应地,热点来自低于平均密度的地区。随着时间的推移,这些寒冷的斑点将成长为星系、星系群和星系团,并将帮助形成巨大的宇宙网络。另一方面,热点将把它们的物质交给密度更大的区域,在数十亿年里成为巨大的宇宙空洞。构造的种子来自大爆炸早期,最热的阶段。

当宇宙处于最热的时候是什么样子?

随着宇宙结构的膨胀,任何光源/辐射源的波长也会被拉长。许多高能过程在宇宙的早期阶段是自发发生的,但是当宇宙的温度由于空间的膨胀而下降到一个临界值以下时就会停止发生。

更重要的是,一旦你达到了早期宇宙所能达到的最高温度,它就会立即开始暴跌。就像气球在充满热空气的时候膨胀一样,因为分子有很多的能量,并在气球壁上运动,当你用热的粒子、反粒子和辐射填充时,空间的结构就会膨胀。

当宇宙膨胀时,它也会冷却。记住,辐射的能量与波长成正比:一个波完成一个振荡所需要的距离。当空间结构拉伸时,波长也拉伸,使辐射的能量越来越低。较低的能量对应较低的温度,因此随着时间的推移,宇宙不仅密度更低,而且温度也更低。

当宇宙处于最热的时候是什么样子?

有大量的科学证据支持膨胀的宇宙和大爆炸的图像。整个宇宙的质能释放事件持续时间不到10 ^ -30秒;这是宇宙历史上最活跃的东西。

在热大爆炸的初始阶段,宇宙到达了它最炽热、最致密的状态,充满了物质、反物质和辐射。宇宙的不完美——几乎完全一致,但不均匀性为1 / 30000——告诉我们它能有多热,同时也为宇宙的大规模结构提供了种子。立刻,宇宙开始膨胀和冷却,变得不那么热,密度更小,并且使制造任何需要大量能量的东西变得更加困难。E = mc²意味着没有足够的能量,你就不能创造出一个给定质量的粒子。

随着时间的推移,膨胀和冷却的宇宙将带来大量的变化。但有那么一瞬间,一切都是对称的,尽可能地充满活力。不知何故,随着时间的推移,这些初始条件创造了整个宇宙。

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