22.2. 宇宙的起源和发展¶
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22.2.1. 物质的起源;宇宙的第一分钟¶
宇宙学家——那些研究天文宇宙起源、结构、时空关系和演化的学者——普遍认为宇宙有一个介于10到18 ga(ga=10亿年)之间的有限开端。 [b.y.] )以前,目前的最佳估计值接近15 ga。保证当前宇宙几乎瞬间爆发的物理条件。在第一毫秒期间,难以置信的事件以快速的顺序展开,导致能量的释放,从而推动宇宙的发展,并创造了物质的初始阶段,最终形成了无数的基本粒子,费米子,其中最著名的是:
摘自J.Silk,《大爆炸》,第2版,1989年。经纽约W.H.Freeman公司许可转载
这些粒子分为两类:强子(微小粒子,由基本的次核子粒子组成,称为夸克)。 [其中有六种类型,三种不同的组合产生不同的核子。] 团结在一起 胶子 允许原子核内的强相互作用),包括 质子 和 中子 (都是称为重子(主核子)的重粒子)和不太知名的 介子 (短寿命的重粒子);以及轻子(甚至是具有弱核相互作用的更小的粒子),它们由 电子 , 陶氏 , 介子 和三种类型的 中微子 . 其他也起源于这一秒之内的无穷小的粒子是重力子(负责引力)和光子(这一组中几个力/能量携带粒子中的一个被称为 玻色子) 那就是量子 * 以光速作为振荡(正弦)波(光子的静止质量为零)传播的电磁力的辐射能。在宇宙历史的第一分钟,许多量子物理学(或量子宇宙学)和相对论(20世纪两大科学发现)的基本原理在建立这个宇宙被发现和定义的特殊条件方面起着关键作用。在这个世纪。量子过程控制着最早期产生的粒子和子粒子的形成和修饰,而相对论从一开始就影响着宇宙的时空增长。
在目前最广为接受的宇宙模型中,从那时起就没有起点和时间。 空间 如现在所定义的,并受可观测宇宙的外部极限和这些极限内的爱因斯坦距离的限制,以及 顺序事件 以时间连续性表示的,还不存在。始发事件始于奇点,这是一种仍在定义中的量子状态,标志着空间/时间的开始(因此,没有前面的“何处/何时”;哲学上的“未使用”),所有将要成为宇宙的东西都可以从中概念化,集中起来。宇宙之前可能“存在”的是一个量子态(类似于古希腊哲学中“效力”的条件),它是一个绝对真空,不知何故拥有高水平的能量。真空能量的波动增加并触发了一个“相变”,导致了奇点,从那里所有需要宇宙的东西——物质、能量、空间和时间——都产生了。
尽管这个奇点在传统意义上没有一组维度(它被描述为一个点 [无量纲的] 空间区域具有无限曲率和不可思议的密度的条件 [包括相对论] 发生故障 [不适用] )不管一开始有什么“存在”,都是某种纯能量。著名的爱因斯坦方程e=mc2 保证了这种能量(作为光子)在某种程度上转化为物质(一些能量残留)的潜力,这些物质在宇宙诞生的第一秒就开始实现了。这种能量物质当量被压缩成一种非常高密度的状态(密度=每种物质的质量或数量)。 [unit] 体积)估计约为1090 千克/立方厘米(千克/立方厘米)和极高的温度,可能超过1032 K(K=开尔文=273+°C [C = degrees Centigrade] 在目前观测到的宇宙中,两者都没有任何对应物。在“创造”这一时刻之前可能存在的东西以及奇点是如何形成的,仍然是推测性的;科学中的理论家提出了创造性的解决方案,虽然有些抽象,但哲学家(形而上学者)的另类和传统观点仍然受到科学界许多人的重视。
在20世纪上半叶,大多数宇宙行为模型都认为某种程度上的膨胀是一种结果。爱因斯坦特别指出,任何三维的膨胀都必须考虑到第四维的影响——时间——来解释光以巨大的“体积”(没有已知的边界)进行远距离传播的行为,这构成了我们所认为的“空间”。他还推断空间必须是弯曲的(因此光和其他辐射将沿着弯曲路径作为广泛分离点之间的最短距离),在他看来,空间将在四维球面几何中动态扩展。爱因斯坦,至少在他早期的思想中,也认为宇宙是有限的和永恒的。
下一幅图以今天人们普遍所知的“将军”来概括进化中的宇宙的历史。 大爆炸 开始的模型(如Cosmo-5页所述,已经提出了此模型和其他模型的变体)。从本质上讲,大爆炸是一种创造事件,它启动了宇宙,并通过现在观察到的状态确定了它的最终进化过程,并进入了它的长期(也许是无限的)未来。
摘自J.Silk,《大爆炸》,第2版,1989年。经纽约W.H.Freeman公司许可转载
大爆炸理论作为一种扩张理论,一般归因于G.Lemaitre和G.Gamow在1939年左右提出的观点。(如本小节后面所述,哈勃和其他人对与星系速度分布有关的辐射红移的观测为这一概念提供了主要支持)。简单地说,这个模型认为宇宙是从一个点(奇点)开始膨胀的,在这个点上,初始物理条件是极高的温度(因此,在标准模型中,“热”是指任何“大爆炸”的前缀),伴随着巨大的引力,把物质/能量压缩成不可积密度(数学理论认为这些条件等于或接近无穷大的值)。这种奇点在概念上的非空间(真空的“虚无”)中处于“无处”,但随着扩张的进行,空间被“创造”并继续“扩大”。一种观点认为现在的宇宙是有限的,但没有边界;它的时间特征是它没有离散的开始,将继续存在并成长为无限的未来(除非有足够的 [尚未发现] 质量提供引力,减缓膨胀,最终导致收缩(坍塌)。
在创造的瞬间,奇点(理论认为远小于10-33 直径为一厘米),被证明非常不稳定,然后经历了类似于“爆炸”的事情,并以流行的“大爆炸”的名字继续“分裂”。这不是传统意义上的爆炸(例如产生炽热的气体火球),而是一种超剧烈的动能释放,引发了一般的膨胀。K.E.大大超过了引力能,但后者自那时起就作用于从星系到核子、光子等各种尺度的所有粒子,以影响膨胀速率;实际上,到目前为止,反引力已经克服了引力的抑制作用,试图减缓膨胀,也许最终将物质拉到一起。在一般的崩溃中。然而,正如第Cosmic-4页所阐述的那样,这种膨胀实际上是空间的膨胀,而不是通过直接向外运动将单个物质推开,这是一个常见的例子,如汽车内部的炸药发生中心爆炸后碎片向心喷射。因此,物质的物理运动与来自爆炸点的粒子的物理运动不同;随着时间的推移,空间本身通过逐渐扩大而“运动”。
在宇宙大爆炸发生之前,还不知道宇宙的状态。 Planck Epoch) 因为物理定律本身并不存在,因为还没有一个宇宙可以应用和运行它们。(控制观察到的所有这些行为的法则和20个左右的基本参数 is 宇宙在大爆炸的瞬间成为普遍存在的现实,但是科学还不能解释它们特定的表述的“为什么”,即什么控制了它们的细节,没有任何外部创始者,“创始者”或“设计者”,它们就能够自发地存在。但是,在概念的时刻,重力,物质和能量都以某种难以置信的集中形式共存(但能够支持 领域 无法通过实验充分复制或定义的(需要10级的能量)19 戊型肝炎病毒 [Giga-electron volts] 比目前地球上任何可控制的过程都要大得多)。最佳假设认为此时的奇点(无论其起源如何)由纯量子力学控制,具有最大阶(零熵 [see page Cosmo-5] 并且是多维的(也就是说,大于宇宙大爆炸开始时出现的四个维度——三个空间维度和一个时间维度)。量子理论不允许任何物理的,即离散物质,在普朗克时代开始之前就已经存在了,但是在宇宙之前的量子状态中的“波动”(一个抽象的,但可能是与哲学上的“存在”概念背道而驰的真实条件)可能是触发因素。
这个理论允许宇宙学家在普朗克时间开始已知的宇宙,如10。-43 秒,在大爆炸开始时,在超对称条件下,将宇宙维系在一起的四种基本力(重力,以及强、弱和电磁力,称为超力)瞬间以单一状态存在。非重力按仍在发展的大统一理论或 GUT (一切理论的一个子集 [TOE] 它试图指定一个单一的力或条件,描述宇宙开始时的情况,在这种情况下,这些力被认为是统一的(统一的时代)。正如我们今天所看到的,这些力量对于宇宙的构建和发展至关重要。引力尤其控制着宇宙膨胀(见下文)的最终命运,以及恒星和星系团的形成。(根据爱因斯坦的相对论,我们直观地认为引力是质量之间的吸引力,它是时空的一个基本几何性质,它与空间的曲率密切相关,因此物质的浓度可以“弯曲”空间本身;爱因斯坦和其他人预测引力波的存在与物质互动;附加治疗见前言)。
按10 -35 第二节:肠道力和其他称为重力的基本力之间存在分裂,这取决于 引力子 (一种尚未被物理学家“发现”或验证的微小粒子)。介于10之间 -37 10 -32 秒(一个微小但重要的时间间隔,称为 通货膨胀阶段 )在这个膨胀过程中,几个大爆炸模型认为微小的宇宙以令人难以置信的速度膨胀(~10:sup:30维增加),远远超过了此后的任何时候。在这短暂的瞬间(万亿分之一秒),微型宇宙从一个极小的尺寸(但仍然包含所有的物质和能量)发展而来。 [极密] 那本来是要变成现在的宇宙)变成一颗豌豆。通过类比,这相当于将一个质子的大小增加到大约是太阳系直径10000000倍的球体的大小(任意地,取太阳到冥王星远轨道位置的距离,或5.9 x 10)。9 公里 [重力和太阳风的影响,以及彗星奥尔特云的位置,将系统的影响扩展到了更远的距离。] )这种极端的增长决定了当前宇宙的最终空间曲率(在最“流行”的模型中,趋向于“平坦”)。在这一通胀时期,气温急剧下降,此后立即急剧上升,然后继续下降。在这个关键时刻,导致现在宇宙的物理条件是预先安排好的。这个巨大的“跳跃”背后的驱动力(在宇宙历史上只发生过一次)被一些人假设为瞬间的重力状态,是一种排斥力,迫使这个巨大的膨胀;随着时间的推移,重力又恢复为控制进一步膨胀的吸引力。
从10 -35 到10 -6 物质由称为夸克的亚原子粒子组成。( 夸克时代 和电子。温度仍然太高(10:sup:28'k),无法将夸克组织培养成核子。在这段时间内,肠道状态被分解为强核力(结合核)和弱电力(电磁力和弱电力的相互作用组合)。大约10点钟 -9 秒,到那时温度已经降到10度15 k,弱核力(参与放射性衰变)和电磁力(与光子辐射有关)分离并开始独立工作。然后,以10 -6 在短时间内,六个基本夸克开始以2或3的组合组织成强子。 强子时代。 . 这是10点跟踪的-4 电子和其他轻子出现的秒数( 轻子时代 )因此,在10岁之前-6 几秒钟后,夸克几乎完全形成了,但在第一秒结束时,它们的数量大大减少,即使强子、轻子(特别是中微子)和光子正在成为主导产品,尽管电子正电子大量湮灭。从这一点开始,重子与光子的比率是1到10亿(重子与中微子的比率也有类似的数字)。
在最早的阶段,从肠道阶段开始,物质和反物质都被创造出来(酵母发生)。10 -4 夸克粒子和反粒子(带相反电荷,例如,在轻子层,反电子或正电子会带一个+电荷)先前共存的,现在通过相互湮灭相互作用。在这一刻,只有基本粒子的残余物存活下来(所有的反粒子显然都被彻底清除掉了,只留下一些数值上较大的粒子),以及大量的高能伽马射线辐射和由相互作用产生的其他高能光子。10 -2 几秒钟后,气温降到了10度。13 K和原宇宙的直径大致相当于我们现在太阳系的大小。
在第二阶段,宇宙已经膨胀 ** 直径约为1至10光年(一光年 [l.y.] 是距离 [~ 9.46 x 1012 or 9,460,000,000,000 km] 光子以光速运动 [300,000 km/sec] 在地球一年的旅程中),即使其密度已降至约10千克/立方厘米 [千克/立方厘米] 温度降到了10度左右10 “k.到那时,宇宙中所有的基本粒子(基本物质)都已经被创造出来了,主要来自第一秒钟释放的大量光子(能量“燃料”)。
(这里有两个适当的附加说明:2)超空间概念中包含的一些最新假设认为,普朗克时期的宇宙由10个维度组成。 [其他模型从多达23个维度开始,但由于对称性和其他因素,这些维度减少到较少的维度。] 这种多维性的主要优点在于它的数学“优雅”,有助于简化和统一物理的相关方程。当大爆炸开始的时候,这个维度分裂成了现存宇宙的4个维度,它们经历了膨胀,6个维度同时坍塌成第二个实体,它们的维度只有一个斑点10。-32 体积百分仪;和2)组成物质和能量的物理实体可能比夸克小;这些被称为一维的。 超弦 -以不同频率振动并以不同方式组合的一维子粒子,从而组成许多已知存在或可以合理假设的基本粒子;超环存在的证明尚未得到证实,但理论支持它们的存在,并且它们与量子物理相一致。SICS)
* Energy can be said to be quantized, that is, is associated with quanta (singular, quantum) which are discrete particles having different units of energy (E) whose values are given by the Planck equation E = h c/|lambda| where h = Planck's constant, c = speed of light (300,000 km/sec), and |lambda| = the wavelength of the radiation wave for the particular energy state of the quantum being considered; the energy values vary with |lambda| as positioned on the electromagnetic spectrum (a plot of continuously varying wavelengths).
** This extremely rapid enlargement reflects the earlier influence of inflation with its initially higher expansion rates. Keep in mind that many of the parametric values cited in cosmological research are current estimates or approximations that may change as new data are acquired and/or depend on the particular cosmological model being used (e.g., standard versus inflationary Big Bang models). Among these, the most sought after parameter is H, the Hubble Constant (discussed later in this review), being one of the prime goals in observations from the Hubble Space Telescope .