大爆炸宇宙学模型有三大天文基础,首先是哈勃的红移观测;其次是从宇宙膨胀与核物理角度,解释了所观测到的宇宙氢氦元素的比例;三是宇宙3K微波背景辐射预测以及精确测量。
从宇宙膨胀这个事实出发往前推,就会推出一个宇宙曾经的起点,这个点体积无限小、密度无限大,温度无限高,这个点便是宇宙大爆炸奇点。
当我们使用思想实验的大磨盘,把宇宙的一切物质全部磨碎到足够细,压缩到足够的小,以至于把时间和空间都压得六亲不认,达到一个理想的点,然后用某种不可说方法将其引爆,接着用高速相机将核爆过程一步步拍摄,规矩点说,描述这个过程,物质炙热温度是关键,时间是附带推导出来的。
宇宙诞生时:
温度大于10³²开尔文,时间小于10⁻⁴³秒,宇宙的物质密度无穷大,空间、时间、4种基本作用力都压缩在一个点,我们称这为普朗克时代。
时间从10⁻⁴³秒到10⁻³⁶秒。引力从4种作用力中间分离出来,单独起作用。
温度来到10²⁸开尔文,时间10⁻³⁶秒,强作用力分离出来,宇宙进入强子时代,正反夸克、电子、中微子产生。由于重子与反重子数的失衡,只有十亿分之一的正离子存活了下来,同时宇宙发生了暴涨,在10⁻³³秒至10⁻³²时间内,而宇宙尺度扩大了10²⁶倍。温度从10²⁷开下降到了10²²开。但是之后,温度下降到了10¹³开。当时间到10⁻⁴秒,强子时代结束了,进入到了轻子时代。
轻子时代的夸克两种命运,或正反湮灭,或组合成中子或质子,这时,质子和中子数为1比1,温度降来到10¹¹开,时间10⁻²秒。
轻子突然激增,轻子与强子的数量比达到10亿比1。中子的衰变使得质子与中子数量比呈现出76比24的关系,正反中微子逐渐成为自由粒子,而当温度下降到3亿开的时候,大量正反轻子湮灭,数量锐减,轻子时代又结束,此时距离宇宙诞生,已经过去了13.82秒。
轻子湮灭,释放能量,减慢宇宙冷却速度。中子和质子开始有机会结合,宇宙进入核合成时代。质子与中子的数量比值为83比17。随着宇宙的膨胀,核合成的过程一直持续到距离宇宙爆炸3分46秒的时候,宇宙温度已经下降为9亿开,所有能量转化为物质的反应全部停止。氢核与氦核的质量比为74比26,这个比例一直保持到现在(天文观测到的元素丰度比)。
至此,宇宙中所有的物质都已产生,但是并没有形成稳定的原子,电子、原子核、质子、光子混合组成了等离子体,光子不能畅通无阻的运动,辐射和物质处于一种热平衡状态。
宇宙从大爆炸开始,在极短的时间内,变成一个巨大到不可想象的存在。
宇宙诞生后的38万年,温度下降到了4000开尔文,各种物质大体上均匀分布,没有成团,也没有复杂结构。原子核与电子开始组合成原子,这称作复合时期,自由电子突然消失,光子可以自由穿行,这个时候,宇宙从黑暗走向了光明,而这一时期发出的原初辐射遗迹,就是如今我们所能观测到的3K微波背景辐射。
从宇宙诞生38万年一直到1.5亿年。这一时期,光的唯一来源,是红移到红外波段的电离氢辐射光子,因此并没有可见光,整个宇宙是一片黑暗。这一段时间被称为黑暗时代。
在5000万年至10亿年里,引力把密集的气体和尘埃慢慢的聚拢,当核心压力达到一定的程度,氢核聚变反应开始,第一批恒星诞生,从此,宇宙中进入光明时代。
恒星发出的辐射中会有强大的紫外线,让周围气体中由最早的基本粒子结合产生的氢原子再度电离,因此这个阶段又被称为再电离时代。
在此后,宇宙物质比较密的区域,逐渐形成了恒星,星系一直演化到如今我们所熟悉的宇宙。这时,距离它的诞生已经过去了138亿年,它的平均温度已经下降到了2.7开尔文。这个温度特征,在机缘巧合中,让贝尔实验室的两个幸运工程师用大喇叭天线捕捉到(当然了,这个温度是以无线电波的方式存在的)。
如果宇宙是一年,大爆炸开头部分只花了差不多十分钟。
在大爆炸模型当中,我们通过使用一些基本粒子,四种基本作用力等概念,使用逻辑反推演,描绘出一个宇宙从高温致密的点演化到今天我们所熟悉的宇宙的整个过程。如今,这个宇宙学的模型已经从小众成为主流,从不同的渠道走入了大众的视野当中,为人们所熟知,当然了,第1次接触这些概念仍然是很蒙圈的,把这么多的知识点通过逻辑串联起来,这个是只有专业宇宙学家能做得出来,接下来我们就深入到宇宙学的内部,把它细细的进行一次切片,近距离看一下它的结构,看看自身还存在哪些问题?在不断的打补丁过程中如何完善的。
资料来源:喜马拉雅,天文原来是这样
最初三分钟-关于宇宙起源的现代观点
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