遥感教程第20-1节¶
Writer's Note: 1) Most of the pages in this Section are image-intensive, so that the large number of illustrations can lead to a lengthy download time for those with slow modems; 2) Some parts or ideas presented in this Section may seem repetitious, i.e., are stated more than once; this reiteration is deliberate - much of the topics covered tend to be complex and unfamiliar to the non-specialist reader (those who are not astronomers, cosmologists, physicists), so that repeating is a helpful aid in reminding one of these previously developed ideas and tying them (making them relevant) to the other subjects where they later appear.
天文学和宇宙学：
宇宙的描述、起源和发展
在第20节中，将没有涉及宇宙学的单独页面摘要：宇宙的起源、组成、结构、发展和历史（或宇宙，如果有多个的话）。这在很大程度上是因为每一页上的复杂性和广泛的思想范围：这并不容易让自己滑倒。相反，读者必须在不借助预览或简化摘要的情况下完成每一页所传授的知识。如果这个领域对你来说是新的，可能需要阅读本节的几篇文章来帮助你掌握这个终极主题：万物的起源。此外，如果你是新手，你应该从学习俄勒冈大学J.Schombert博士编写的优秀的天文学在线“教科书”中获益，该书已在 Preface . 为了与概述和后面的20个部分保持一致，每个插图都将附带一个概要性标题。
尽管没有总结，但我们将尝试在本总结中删去天文学和宇宙学的总体观点：
天文学主要是描述物体、材料、结构以及似乎存在于地球之外的东西的分布。天文学作为一门观察“科学”，其根源可以追溯到早期的文明，如基督教时代前的巴比伦人、埃及人、希腊人、中国人以及新世界的玛雅人和阿兹特克人。星群，星座被建立起来，并参与到神话中，暗示神控制着世界（即宇宙）如何运作。宇宙学研究宇宙的起源、发展和对未来的期望，也在早期就开始了，神话和神学解释了包括地球在内的物理（自然）世界的意义和原因，逐渐被科学界所取代。基于lly的观察。提供这一基础的关键思想包括希腊哲学家毕达哥拉斯、尤克索德和亚里士多德的假设，以及后来（约公元前140年）托勒密对周转“天国”运动的描述；这些基本上是作为哲学思考而存在的，直到16世纪哥白尼出现。Entury Ce提出了太阳系的日心说（但在公元前280年由Aristarchus提出），随后不久，Tycho Brahe和Johannes Kepler做出了重要贡献。伽利略是第一个使用望远镜进行天文观测的人。艾萨克·牛顿以其重力定律和运动定律为恒星和行星的运动提供了基础。威廉·赫歇尔（WilliamHerschel）在18世纪末的欧洲大陆首次证明了太阳所在的银河系是一个“孤岛宇宙”，即星系，并推测其他此类星系必须存在。这导致了现代宇宙学时代的开始，这个时代起源于20世纪20年代埃德温·哈勃的工作。
在宇宙开始之前，没有时间和空间，没有能量（以我们所知的离散形式）也没有物质。可能存在的是一些尚未定义的量子态，其中“空性”的波动导致极其短暂的“粒子”，包含了成长为宇宙的本质。基本上，所有这些转瞬即逝的瞬间都以消失而告终？？？？但在这一时刻，我们有可能看到宇宙诞生时奇点的“创造”。
这个奇点非常不稳定，以至于它“爆炸”成了通俗的“大爆炸”。这发生在大约140亿年前。宇宙时间的第一分钟是导致我们今天观察到的宇宙状态的关键阶段。我们可以从理论上追踪到10分钟内的事件-43 当宇宙无限小的时候。（在实验上，天体物理学家实际上可以重建序列，并将宇宙早期的基本物理条件验证回10。-12 秒，粒径小于10-17 米；更好的是，大多数粒子和力（以及它们相互作用的场）现在已经被定义，只有少数粒子和力在实验室条件下被实际发现和识别。最初，基本力（强、弱、电磁、重力）是统一的（正如正在被解释的那样）。通过物理学中被称为“超弦”的新理论。但是，他们很快就被系统地分成了单独的力量。虽然扩张很快，但大约在10-35 几秒钟后，这个微小的宇宙通过一个叫做膨胀的过程有一次唯一的极端加速。
此后，在这第一分钟，随着膨胀的继续和质子宇宙的冷却到较低的能量水平，由适当的玻色子（力）控制的费米子（物质）开始组织成质子和中子（由夸克组成）、电子、介子、中微子和其他原子。在物理实验室的高能加速器实验中，不断地发现了大量的粒子。
当第一分钟结束时，一些粒子开始与其他粒子结合（可能所有本应产生的反物质都被破坏了）。在最初的几分钟里，粒子开始组织成原子核，而原子核是等离子体态的一部分，在等离子体态中，混合态包括电子、光子、中微子和其他粒子。在未来30万年左右，这种粒子辐射状态见证了原子组织的开始，主要是氢和一些氦。在那之后，宇宙变得“透明”，这样通过光子（光）辐射的通信就可以在足够近的宇宙段之间进行，以光速交换信息。宇宙在大尺度上几乎是完全均匀和各向同性的，但在物质状态（主要是H和He）的局部微小波动导致了引力团聚（形成星云），这仅仅是因为密度的轻微增加继续增加了通过引力引力引力最终，在最初的十亿年里，恒星开始形成并排列成星系团。它们采用特定的形状，如螺旋形、椭圆形或不规则形状。
恒星在高温下燃烧氢，在此期间（取决于其大小），它们将燃料转化为更重的元素。大恒星的消亡速度很快（几十亿年甚至更少）；小恒星的存留时间可以与宇宙的总寿命相媲美。在恒星稳定的一生中，它们通过在重力作用下向内收缩（包括内部加热）和核过程产生的辐射向外压力之间的精细平衡保持在一起。许多恒星可以爆炸成超新星。随着时间的推移，各种类型的恒星通过不同的路径进化，其中包括红巨星、白矮星、中子星。黑洞是空间的另一个组成部分，可能分布广泛。由于恒星是由星云物质（主要是一些氢和氦的气体）和其他各种形式的元素（包括微粒尘）形成的，一些没有被吸入正在成长的恒星的物质可能会聚集成凝块，形成行星体（岩石和气体球），类似于那些组成我们的太阳系。
宇宙的命运最终取决于它有多少质量。如果这个数字很高，宇宙的膨胀会减慢，最终会逆转（收缩），所有的物质和能量都会再次聚集在一个奇点上，这个奇点可能会经历另一次大爆炸。或者物质/能量不足以减缓膨胀，宇宙将永远扩大。宇宙的形状将取决于膨胀的性质；在大尺度上，宇宙服从相对论定律。最近的信息有利于无休止的扩张，并且扩张速度现在正在增加的可能性。
除此之外，还有一种理论（量子驱动）的可能性，即可能存在多个宇宙，无法彼此通信，新的宇宙在不同的时间形成，也许旧的宇宙会以某种方式死亡。在这一点上，人们的头脑很是困惑。
这也许是对大格局的粗略简化。阅读本节了解更多详细信息。注意更新-现在发生了很多事情。
在开始本节之前，我们强烈建议您仔细阅读 Preface （到达后，单击用于返回此页面的浏览器上的后退按钮）。序言包含四个主要主题：1）遥感在天文学中的作用；2）一些适当的参考文献，以获取更多信息；以及3）相对论的基本原理；4）量子物理学。序言中列出了一些可读性很强的书籍和一些互联网链接，这些链接指向天文学/宇宙学的评论或教程。此外，本节中的大多数插图都是由太空观测站获取的图像和数据制成的；要列出其中的许多图片和主页链接，请点击以下网站： astronomers 在澳大利亚国立大学。
大爆炸；宇宙的第一分钟；¶
物质的性质和起源；早期
介绍性概述
宇宙学家——那些研究天文宇宙的起源、结构、组成、时空关系和演化的人——普遍认为 宇宙 有一个有限的开始在12到16 GA之间（GA=10亿年 [b.y.] ）前；目前的最佳估计值接近14 ga。这是通过测量光从宇宙的可观测外极限到地球所需的时间得出的。 光年 * ，可以转换为距离。保证当前宇宙存在的物理条件必须几乎是瞬间爆发的。在宇宙历史的第一分钟，许多量子物理学（或应用于这种情况的量子宇宙学）和相对论的基本原理——20世纪的两个最伟大的科学发现（见序言，通过上面的链接访问）在第一分钟起到了关键作用。n建立这个宇宙在20世纪被发现和定义的特殊条件。量子过程是粒子和子粒子在早期形成和修饰过程中的一个重要控制因素。同样，相对论从一开始就影响了宇宙的时空增长。
在当今最广为接受的宇宙模型中，传统意义上的人类经验没有起点和时间。 空间 ** 正如现在被可观测宇宙的外部极限所定义和约束的那样，还不存在（见下文）；而且， 顺序事件 嵌入在时间连续体中的，还没有开始。可观测宇宙只是延伸到宇宙最外层的可见或可探测部分，在那里物体或辐射源在经过一段时间后以光速发送信号，不大于（通常略小于）膨胀开始的时间（年龄）。离子。从现在开始，大多数宇宙学家都有信心，在可观测的宇宙之外（无论是我们宇宙中看不见的部分还是其他宇宙），不可观测的部分加上可观测的部分有时被称为 宇宙 .
初始事件，称为 大爆炸 从奇点开始（如此之小以至于空间三维的概念 [3-D] 没有概念上的意义），某种仍然被定义的量子状态，标志着空间/时间的开始（因此，没有前面的“在哪里/什么时候”；哲学上的“未被利用”），从中所有将成为宇宙的东西都可以在精神上被想象为已经被集中。因此，这种奇点被描述为一个不完全的点（无量纲）条件，它具有极端的曲率和难以置信的密度，并且物理（包括相对性）定律不适用。这个 奇异性 也与宇宙开始时几乎瞬间的时间有关，在这之后，一些关于宇宙最早的行为的事情可以用已知或假设的物理概念来描述。就在奇点展开到宇宙的最初时刻之前，空间和时间完全结合（不可区分），但没有任何有意义的几何或时间值。
在这个（我们的）宇宙刚开始的时候，多维空间和时间就出现了，并开始呈现物理特性。但是在宇宙尺度上，根据狭义相对论，这两个基本性质必须构成我们现在所观察的四维时空宇宙（根据下文和第20-10页讨论的一些理论，可能还有其他维度）。时间的确切性质（概念）还没有完全理解，还需要继续辩论（为了对时间进行出色的回顾，请阅读 关于时间：爱因斯坦未完成的革命 作者：Paul Davies，1995年）；也可以查阅他的网站“大爆炸前发生的事情”。 site （宿主站点包含许多有趣和挑衅的文章；点击页面中的Albert Einstein进入父站点）。当然，地球上也有日常经验的传统时间（年、日、秒等），用原子钟（例如，铯原子的脉动拍，用来定义“秒”）相当精确地测量，而用机械计时器或水晶表测量的时间则更少。由于狭义相对论，人们重新定义了时间的概念，在狭义相对论中，时间单位的感知随着参考系以不同的相对速度移动而加快或减慢。有一个“永恒”的概念，在这个概念中时间就是——没有具体的开始或结束。
但是，所有这些度量和概念都很难外推到我们的宇宙奇点出现之前的模糊的时间状态（如果是真的）（可以想象，奇点在不可避免的不稳定迫使开始之前可能已经存在了有限的“时间”）。下面我们将其描述为大爆炸）。但是，时间必须在那一刻分离，并成为可测量的，我们已经开始使用它的性质，稳定的进展，一个时间的性质。如果在奇点事件之前没有任何东西存在，那么就没有办法确定和测量作为先验状态所涉及的时间。如果我们的宇宙不是唯一的宇宙（见20-10页关于多元宇宙的讨论），而其他的宇宙在我们观察到的宇宙之前就已经存在，那么时间在某种程度上可以被推后到它们的概念中去。一种可能是无限多的宇宙 time 和 空间 没有起点和终点（阅读保罗·戴维斯的书，了解时间的哲学和物理含义，以及在明确时间意义时仍未解决的困境）。为了研究一个已知宇宙的宇宙学，我们假设伴随着它的存在和随后的发展的时间开始，在我们为地球生命定义的单位中是可以理解的。因此，在这个命题下，宇宙可以追溯到它的年代。
一开始，奇点内的基本能量可能（或与之相关） 重力能 这就控制了奇点的性质。目前正在调查的另一种选择是 排斥能 （类似于阿尔伯特·爱因斯坦曾经提出的观点），比如《精粹》（见第20-10页），它可能与“暗能量”（第20-9页）有关，而“暗能量”似乎支配着当前的宇宙。在奇点的瞬间，初始能量（其中一些即将变成物质）被压缩成一种非常高密度的状态（密度=物质的质量或数量）。 [或其能量当量] 按特定 [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。正如你将在下面看到的，某些形式的物质来自于宇宙历史上第二个瞬间释放的纯能量。著名的爱因斯坦方程e=mc2 说明在适当的条件下，能量可以转化为物质，以及 vice-versa .
在创造的瞬间，奇点（理论认为远小于10-33 直径为一厘米），被证明异常不稳定，然后经历类似于“爆炸”的事情而“分裂”，这是“大爆炸”的流行名称（b.b）；这是 膨胀 （见第20-1a页，通过本页下面的链接访问）。这不是传统意义上的爆炸，例如产生炽热的气体火球，而是奇点释放出的动能的剧烈释放，奇点引发了一般的膨胀，并且（到目前为止）已经超过了重力的反作用。最初的效果是创造和扩大空间本身。爆炸被描述为“不进入太空”，但是 空间 “。因此，膨胀持续到现在，部分原因是在最初的推动时施加的惯性效应（在观察到的星系隐性运动中很明显）仍然影响着空间的增长，现在人们认为，部分原因是上述排斥的持续作用。能量。在把重力从其他基本力中释放出来之后（见下文），它就一直作用于所有的粒子，从那些聚集在一起形成恒星和云团的粒子到单个核子、光子等，从而达到宏观到微观的尺度。因此，重力会对膨胀率产生一种控制性影响，从而减缓膨胀速度。正如我们稍后将要阐述的，最近的证据表明，反重力（由目前不确定性质的排斥能量所导致）已经克服了重力的抑制作用，试图减缓膨胀，并可能最终将物质聚集在一个普遍的崩溃中。
但是，在 page 20-8 在本页的第二部分中，这种膨胀实际上是空间的膨胀（或“膨胀”，同义词），而不是通过直接向外运动将单个物质推开，就像一个熟悉的例子，中心爆炸后碎片向心喷出，sa是的，汽车里有炸药。因此，物质的物理运动与炸药爆炸点的粒子运动不同；随着时间的推移，空间本身会逐渐增大而“运动”。
在提到奇点时，我们不能说“那里”（因为表征我们宇宙的空间直到它开始的那一刻才开始形成，所以很难想到任何“那里”，因为没有具体的维度参照系）。在“创造”一开始，奇点是由某种纯能量组成的（在一个称为假真空的“虚空”中处于“虚拟”状态）。在宇宙诞生的这一时刻之前可能发生的事情以及奇点是如何形成的，仍然是推测性的；科学中的理论家们提出了创造性的解决方案，尽管有些抽象，但哲学家们的另类和传统观点（元医生）仍然受到科学界许多人的重视。最后一个观点将在20-11页的底部再次讨论，并链接到作者的一些推测。
This is an appropriate point to insert comments about what the writer has recently learned about the concept of the Instanton. This is an alternative version of the notion of the Singularity described in previous paragraphs. The Instanton is a condition that derives from Yang-Mills Gauge theory which is a part of what is known as Quantum Chromodynamics (QCD). We will not further delve into that subject but will just mention that Cosmologists such as Stephen Hawkings and Neil Turok have adapted Instanton theory to the conceptualizing of what was before and led up to the Big Bang, or any of the competing ideas for the Universe's inception. In a nutshell, they envision a process by which a quantum fluctuation in the vacuum or void prior to the initiation of the Big Bang led to the appearance of energy by a quantum tunneling process. Their "Pea Instanton", which had such high temperatures and pressures that it had to "explode" was created in this way. Rather than pursue this topic further here, we refer you to the Cambridge University link at the bottom of the Preface and to these two additional Web sites: `(1) <http://stripe.colorado.edu/~yulsman/Instanton1.html>`__ and `(2) <http://web.uvic.ca/~jtwong/>`__.
许多科学家认为，宇宙之前可能存在的是一个量子状态（在某种意义上，类似于古希腊哲学中的“效力”条件），它影响了一个真正的真空（无论什么），而这个真空不知何故具有高水平的能量（性质不明，但然而，不是光子辐射）。无数的量子涨落（在量子理论中被称为 not 依赖 [obey] 形而上学的因果控制 not 根据时间顺序），在真空能量密度中产生了一组虚拟粒子和反粒子（类似于正电子、电子的正电荷当量、中子和反中子等），它们在很短的时间内出现，然后被湮灭。但是，很少会发生湮灭，这样一个粒子就可以生长并触发一个“相变”，从中产生奇点，所有需要宇宙的东西——物质、能量、空间和时间——都从中产生。在这个量子模型中，可以想象许多这样的奇点会不时形成，从而导致多个宇宙，从理论上讲，这些宇宙不能有任何直接的联系。
这是相对论限制禁止的一个例子，在相对论限制中，以光速传播的信息不能从我们自己可观测宇宙的地平线之外到达我们。的概念 宇宙学地平线 指的是我们可以建立联系的宇宙的边界或外部界限。这近似于目前观测到的宇宙时间前十亿年形成的最远星系。这个视界也被概念化为将时空（包括所有可定位的4维点）划分为我们可以看到和测量的东西的表面，从隐藏和不可观测的东西开始。因此，可观测的数据必须在我们的 轻型圆锥 一个假想的表面，它包围了自时间开始以来到达我们的所有可能的光路径。（下面的第二个示例）。检查 page 20-10 进一步讨论这些想法。
这种“视觉”感知的控制因素只是光速（光子）。如果宇宙大约有140亿年的历史（根据我们对地球对时间的感知，基于地球围绕太阳的完全旋转），那么在宇宙可观测极限附近离开刚形成的原星系的光大约在130亿年前就消失了，但这种辐射是开启的。到目前为止，它已经到达我们的星球，因为它必须穿过一个正在膨胀（不断增加的距离）的宇宙，并把原星系拉离我们。（我们实际上已经探测到宇宙背景辐射 [see page 20-9] 它遍布整个宇宙，从公元前30万年开始它的首次出现只有30万年——这是目前对所涉及的回望时间的最长期限限制，因此窥视过去以发现最早可辨别的事件）。必须区分 观察 和 可观察的 ：正如将在20-8和20-9页详细讨论的那样，有充分的理由相信真实的宇宙是（多？）。更大，但部分超出了目前的观察范围。随着时间穿越未来，地平线将进入更多的终极宇宙。
一个推论：在标准的大爆炸模型中，宇宙的某些部分，由于没有足够的时间让光从一个部分到达另一个部分，所以它们之间存在着和存在着不能直接影响彼此的部分。因此，相对于地球的“地平线”作为观测点（但宇宙中的任何其他位置同样作为有效的观测点），是指在我们可以在宇宙的任何部分建立联系的东西和超越的东西之间划分的空间或时间限制。此图说明了无法相互通信的部分的一个极端示例：
让天文学家朝着“外部”宇宙的明显极限看去，比如说在130亿光年的距离，在两个相反的方向。在这张图的中心，我们假设在相反边缘的星系相距260亿光年。但是对于一个有着140亿年历史的宇宙，以及来自以光速运行的每一组星系的辐射，来自一个星系群的信号将没有足够的时间穿透我们之外的另一边的空间区域。因此，宇宙的一部分和其他各部分之间没有（时间）交流。在一个尺寸相当于280亿光年直径的球体（不一定是宇宙的真实形状，而是一种将宇宙中可观测部分的物体集合可视化的适当手段）的宇宙中，这是正确的。在这个球体内，有一些空间与其他空间不接触。（例如，当宇宙继续膨胀时，覆盖在地球上我们上方约2°天空半球的一小袋宇宙背景辐射不会与它之外的辐射相互作用。）
这种看似矛盾的现象被称为“地平线问题”。简单地说：如果这些孤立的区域不接触，它们怎么可能具有非常相似的性质（例如类似的暗物质密度、宇宙背景辐射和星系数量）。这似乎违背了宇宙因果关系的基本原理，即在膨胀过程中，宇宙的所有部分都需要进行通信（通过光传输或其他能量交换方式），以便物理学的基本原理具有充分的因果关系。l互相影响的机会。如果在总尺度上，宇宙要保持一致性，这似乎是必要的（宇宙学原理的本质，它假设了广泛的同质性和各向同性）。关于遵循这一原则所需因果关系的一个解释在下面处理通货膨胀的小节中给出。
然而，如上图所示，宇宙各区域之间的隔离是一个真实的事实。特别是在宇宙大爆炸后不久，宇宙的某些部分没有因果联系，因此在宇宙早期历史上彼此看不到，但最终会随着膨胀而相互了解。考虑下图：
摘自J.Silk，《大爆炸》，第2版，1989年。经纽约W.H.Freeman公司许可转载
从假设的观察者开始，在A点和B点，而不是在早期的时空中接触。随着时间的推移，它们的光锥最终会相交，使每个光锥都能看到（时间t1 ）宇宙的其他部分是共同的，但不是彼此。在以后的时间，在T之外2 （现在）在未来，A和B（两个光锥的边界）的视界将最终相交，让每个视界都能追溯到另一个的过去历史。
进一步评论宇宙的几何学：一种观点认为现在的宇宙是有限的，但没有边界；它的时间特征是它有一个离散的开始，但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。 [崩溃] ）一个非常不同的模型认为宇宙在时间和空间上是无限的——它一直是，并且永远是（在哲学上，有一些概念将上帝等同于分布在这个自然主义宇宙中的“智力存在”）。这些和其他重要的思想——宇宙的形状是否类似于球形、双曲线或平面；宇宙是开放的还是封闭的，宇宙目前是减速还是加速的，宇宙在时间和空间上是无限的还是有限的——都在20-8、20-9页上详细讨论过，以及20～10。
到20世纪第二季度末，大多数宇宙行为模型都将某种形式的膨胀视为一种结果。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的路径作为广泛分离点之间的最短距离），在他看来，将在四维球面几何（时空维度）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。）
下一幅图是一幅时空图，它根据今天人们所熟知的一般或标准总结了宇宙膨胀和演化的历史。 大爆炸 （b.b.）开始的模型。（它的描述性名称是天文学家弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle）的一个嘲弄性评论，霍伊尔当时是《膨胀论》（Prompt of Expansion），他主张建立一个稳定状态模型中所描述的等量宇宙；已经提出了这一模型和其他模型的变体，如 page 20-9 ）简单地说，标准的大爆炸模型认为宇宙从一个无穷小的点膨胀。从本质上讲，大爆炸是一个创造事件，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。
|一个基于大爆炸膨胀的宇宙历史（年代）模型；时间是纵坐标；横坐标描述了以光年为单位的宇宙尺寸的增长；前几分钟发生的许多事情在这里被概括（见正文）。|
摘自J.Silk，《大爆炸》，第2版，1989年。经纽约W.H.Freeman公司许可转载
这个数字的变化，给出了宇宙进化史的能量水平和温度的总结，对于这个页面来说太大了。您可以通过单击 here . 请注意，大多数温度以能量当量表示为ev或电子伏（gev指千兆电子伏）。要返回当前页面，您需要点击浏览器屏幕右上角的X按钮。
“大爆炸”作为一种膨胀理论，其根源可追溯到1922年a.Friedmann提出的与阿尔伯特爱因斯坦广义相对论（Albert Einstein's Theory of General Relativity）的思想相抗衡的思想，从中泰坦得出了一个静态的、非膨胀的、永恒的宇宙模型（他最终放弃了这个模型，因为扩展的证据被反复验证，他意识到他的广义相对论与扩展模型非常密切。1927年，比利时神父乔治·勒迈特（George Lemaiter）提出了另一种扩张模式，从他提出的“原始（或原始）原子”开始。原始原子是一种热的、致密的、非常小的物体，类似于“奇点”，这一术语被广泛接受。大爆炸的本质在20世纪30年代被G.Gamow和其他人精炼和修饰。20世纪20年代末，Edwin Hubble提出了扩张的确凿证据。大爆炸在精神上可以与上述奇点联系起来。 想象 膨胀是反向运行的（就像向后播放一部电影）：所有现在看起来好像向外移动（随着空间本身的膨胀）的材料，如果向相反的方向移动，就会最终聚集在一个由奇点表示的“原点”上。
如本节后面所述 (page 20-9 _ b.b.的概念得到了Edwin Hubble和其他人对与星系速度分布有关的辐射红移的观测的主要支持。自第一次突然爆炸以来，宇宙一直在扩大，空间不断扩大，星系不断分离，因此，这个庞大的星系、恒星、气体和尘埃集合中已知部分的大小现在以数十亿光年（代表所达到的距离）来测量。以最快的速度移动的材料 [接近光速] 从大爆炸的那一刻起 [14至150亿年前] ）这个年龄或时间是由哈勃常数h（它可能改变其值）决定的，它是从距离图（到恒星或星系的光源）的斜率与每个光源的速度（见 page 20-9 ）
除了量子推测之外，对于宇宙的状态，没有什么真正的了解是在宇宙大爆炸（即所谓的 Planck Epoch） . 控制观察到的所有这些行为的法则和20个左右的基本参数或因素 is 在宇宙大爆炸的瞬间，可以在宇宙中看到的东西成为了普遍存在的现实，但是科学还不能解释它们特定的公式和价值观的“为什么”，也就是说，是什么控制了它们的具体特性，并且它们能在没有任何外部创始者的情况下自发地存在。“创建者”或“设计师”。在这些必须“微调”的条件中，正是这个部分的，但非常重要的列表：宇宙的均匀性和各向同性（宇宙学原理）；物质和反物质的相对量；氢/氦和氢/氘比；中子/质子比；混沌程度。一开始；核吸引力和电排斥之间的平衡；最佳重力强度；初始粒子的衰变历史；早期产生的中微子总数；影响临界密度的最终质量密度；E的特定（但变化）速率。大爆炸后的膨胀；温度和压力之间的微妙平衡，无论是在最初的时刻，还是在恒星形成之后；恒星内部产生碳的能力——生命所必需的；等等。（另请参见第页底部的另一个列表 20-11a 其中一些是相互依赖的，但重要的一点是，如果这些参数/因素的观测值在小到中等程度上有所不同，那么我们所生活的宇宙几乎肯定不会导致最终培育出能够进化的智能生命的条件。在我们所知的宇宙历史中。（也可能是必要的：通过观察和推断来证明宇宙的存在和性质，从而得出宇宙知识的存在和性质；这要求最终出现“有意识推理”，至少在地球上人类进行的水平上，也许也就是存在于宇宙其他地方的类人生物，——这个概念是所谓的“人本原理”中的一个原则。
宇宙历史的第一分钟
在宇宙概念的时刻，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 在地球上的实验无法充分复制或定义，因为它需要至少10级的能量。19 GEV（千兆电子伏；“千兆”是指十亿电子伏；一个电子伏是一个电子加速通过一个电压降时所获得的能量；1 eV=1.602 x 10-12 ERGS）；1019 通过任何可控制的过程（目前，在高能物理实验室（其大粒子加速器和对撞机）实验获得的上限为~103 GeV）最佳假设认为此时的奇点（无论其起源如何）受量子力学基本原理支配，具有最大阶（零熵 [see page 20-8] 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）。量子理论并不排除离散的“事物”（某种形式的能量或物质）在普朗克时代开始之前就已经存在；另一方面，这种存在是不需要或不必要的。但是，正如上面所暗示的和第页详细讨论的那样 20-10 前宇宙量子态中可能的能量场中的“涨落”（一个抽象但可能与“存在”的哲学概念背道而驰的真实条件）可能是启动B.B的触发因素。
这个理论允许宇宙学家以一个叫做普朗克时间的参数开始宇宙，这个参数的值为10。-43 秒（即使更早的时候发生或存在的事情也不知道，物理学的原理发展到今天）。在那一刻，宇宙至少小到了10-35 米-普朗克长度（与超弦理论中的弦大小大致相同） [见下文] ）在大爆炸开始时，四个 基本力 （重力和 [原子能的] 弱 [放射性] 和电磁 [辐射] 把宇宙连接在一起的力量，统称为超能力，暂时存在（直到10年左右）。-32 sec）在一种特殊的物理状态下，遵守术语对称性的一种含义所施加的条件。*** . 在第二个间隔的这一段时间内，重力和其他力一样强。它将奇点聚在一起的趋势必须被激活大爆炸的力量所克服。基本力分离的开始可能与推动通货膨胀的力有关（见下文）。
但此后，重力在相对强度上迅速下降，所以今天在原子尺度上是2×10。-39 弱于质子和电子之间的电力（根据最近的一个理论，重力在大约10之前一直很强-19 秒）。然而，由于质子（正）和电子（负）之间的力在普通物质中被中和（平衡），现在弱得多的引力是主要的残余力，它持续存在并作用于聚集宏观物质（比原子大的尺度，具体来说在牛顿定律的约束下，静止或运动的物体；包括行星、恒星和星系运动的那些方面，它们可以被非相对论地对待。重力的幸运特性是作用于很长的距离（减少为平方反比定律）。尽管我们认为重力是宇宙中最普遍的作用力，但越来越多的证据表明，某种形式的引力也存在于原子核内，但它的作用会延伸到很短的距离（原子尺度）。
从引力中分离出来的非引力用仍在发展的大统一理论来描述，或 GUT 试图解释它们是如何共存的。直觉本身就是一切理论的一个子集。（ TOE ）当它最终被计算出来时，它将指定一个单一的力或条件（或，在形而上学上，一种状态 存在 ）它描述了宇宙最初的情况。因此，TOE将引力场与奇点内的量子场结合在一起，奇点几乎在大爆炸开始的瞬间就形成了独立的实体。根据量子原理和其他类型的 [pre-Bang] 有待发展的物理学控制着宇宙前的虚空。在普朗克时期，四种基本力量据说是统一的（统一的时代）。下面的流程图（另请参见下面的第三个图）指定了每种力的主要成分，因为假设它们存在于大爆炸的第一分钟之后。当在大爆炸开始时统一时，假设它们以 ? （其性质和性质仍在理论上探索；目前由于能量巨大，这种情况不能通过实验产生 [远远超出实验室现有能力] 参与）。
根据超弦理论（见本页最后一段），一个模型现在得到了一些青睐，它认为在宇宙大爆炸的第一个时刻（10点-43 在这之前，任何奇点或其他的存在状态都不能用现在的物理学来描述）宇宙由10个维度组成。当宇宙诞生的过程开始时，这些维度中的六个崩溃了（但目前存在于10个微观尺度上）-32 厘米），其余四个（三个空间，一次）扩大到今天的宇宙。
这些力在大爆炸最早时刻的行为对我们今天所看到的宇宙的构造和发展至关重要。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，因此物质的集中可以“弯曲”空间本身；爱因斯坦和其他一些人指示与物质相互作用的引力波的存在；见序言中的附加处理）。尽管如此，令人惊讶的是，引力是四种基本力中最薄弱的一种；它在保持宏观物质在一起和控制天体如何维持其轨道上的作用，仅仅是当其他力出现时，它就变成了强大的、作用于距离的力。是电中性的，只对很短的距离有影响。
10之间-36 10 -33 秒（一个微小但至关重要的时间间隔，大约是地球上万亿分之一秒的十亿分之一，被称为 通货膨胀阶段 ）一种解释宇宙某些性质的机制最初是由普林斯顿大学的艾伦·古思提出的，用来解释宇宙的某些方面。 [见下文] 这是标准模式中的严重困难。该理论认为，新生和静止的微小宇宙经历了一个重大的 相位变化 （可能是热力学的）其中排斥力导致了空间膨胀率的大指数增长。在这个短暂的时刻（大约万亿分之一万亿分之一万亿分之一万亿分之一万亿 [10:sup:-36] 在一秒钟内，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] 这将成为现在的宇宙）一个葡萄柚，甚至可能是一个南瓜。这是一个膨胀系数，可能在10之间。50 10 78 （这是不确定性的范围，尽管一些理论家选择1050 作为更可能的数字）。或者，用另一个类比，这相当于把质子的大小增加到大约是太阳系直径的10000000倍的球体的大小（任意地，从太阳到冥王星远轨道位置的距离，或者5.9 x 10）。9 KM）。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”）。下一张图表说明了膨胀时刻初期宇宙的极端增长（水平和垂直尺度都是10的幂次）；在所示的版本中，大爆炸的膨胀显示为随着时间的推移而减速，但在第页讨论了一个重要的修正。 page 20-10 .
来自天文学网站
在这个通货膨胀时期，气温急剧下降。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“跃迁”背后的驱动力（在宇宙历史上只有一次以这种极端速度发生）被一些人假设为瞬间的重力状态，即排斥（负）力（可能相当于爱因斯坦曾经不存在的宇宙学常数，但以一种新的形式出现：因为像希格斯玻色子或假设的“膨胀”）这样的电子消费品，迫使这种巨大的膨胀。
驱动通货膨胀的能量来源尚未被精确地确定，但是引力与其余三种力的分离（见下面的第三张图）可能释放了大量的能量，能够产生标志着通货膨胀的排斥力（见段落对开 page 20-10 这描述了爱因斯坦的宇宙学常数，它依赖于与尚未发现但显然是真实的“暗能量”有关的类似的排斥能量。在短暂的通货膨胀时期，仍然“空”的空隙的不同部分（能量存在，但第一个可能形成物质的粒子还没有出现和组织）以大于光速的速度分离——实际上，这是最初的进化维度，或 空间 这是在扩大。（最近的发现表明，宇宙正在经历第二次加速膨胀，但速度相对要慢得多，这已经扭转了大爆炸后引力强制减速，开始于一些 [尚未确定] 阶段 [可能在过去70亿年之前] 关于宇宙的成长；见20-10页。）
在通货膨胀期间，由于重力开始独立作用， 引力波 它们的产生与我们所知道的宇宙随后的历史中温度（和物质）分布的微小但重要的变化有着关键的关系。随着时间的推移，重力又恢复为控制进一步膨胀的吸引力。具体来说，一种亚稳态称为 假真空 -无物质的 本身 但是包含某种能量的物质——通过量子过程经历了衰变或相变，达到了瞬间的能量密度，产生了能够驱动膨胀的负压力。膨胀持续到假真空势（当其相关密度场为零时开始为正）开始膨胀，下降到零（现在正场在空间和时间上发生了变化）。
膨胀模型的优点在于它为物质的“创造”奠定了基础，它解释了宇宙形状的明显“平坦性”，并有助于解释其大规模的均匀性和各向同性（平滑性）。在膨胀开始之前，这种均匀性条件就存在了，最初的条件是因果联系的，随后由于膨胀的迅速膨胀而“冻结”在宇宙中。理论表明，在膨胀过程中，能量可能没有被有效地均匀分布，产生了被称为“宇宙弦”的更为集中的狭窄区域。在随后的缓慢膨胀过程中，这些物质起到了不规则的作用，最终导致了物质的集中，这些物质集中在早期宇宙结构中，最初的星系就是围绕着这个结构形成的。
通货膨胀似乎也解决了上述“地平线问题”（回想一下 地平线 指宇宙中相互作用受到限制的部分。 [交互作用] 在考虑宇宙学现象的时间间隔内，光子可以以光速运动的距离。此图中存在此问题：
在这张图中，宇宙的某些部分似乎位于这些地平线之外。这个简单的图表可能有助于更好地可视化：
如此遥远的部分现在彼此不接触（不交换光信号），并且似乎是因果独立的。但是，在膨胀模型中，这种似乎违背因果关系的孤立性绕过了这一点：1）假设这些和所有部分都在膨胀前的宇宙第一秒的极小部分中接触，因此2）继承或“锁定”了基础的协调物理。当宇宙经历巨大的膨胀时，宇宙的运行随后保持了普遍的一致性。
通货膨胀的本质和历史的一个很好的总结在一个由 John Gribbin .
尽管理论计算和某些实验似乎证实了膨胀模型的要点，但并非每个宇宙科学家都接受这种对宇宙最早时刻及其随后历史的后果的创新解释，即膨胀似乎可以预测。在过去的几年里，有些人把注意力转向了替代车型。最引人注目的是1995年Joao Magueijo博士首次支持的可变光速（VSL）模型，他后来在伦敦帝国理工学院合作时与Andreas Albrecht博士联合。VSL的本质是，在第一个B.B.第二个B.B.的大致相同的时间内，通货膨胀会在这个最早的时刻起作用，释放的强烈能量会导致光速大于今天的值。这个速度，不断下降，然后会收敛到现在的常数，从而满足爱因斯坦的基本假设，即这个速度是常数。Magueijo和Albrecht已经计算出，在这些早期情况下，这种快速下降的速度现象可以产生与通货膨胀空间扩张导致的大多数结果相同的结果。最初，他的同事们大多拒绝了这一观点，最近对后B.B.宇宙中可能的光速变化的观察，如果被证实的话，已经将注意力重新集中在VSL上。和通货膨胀一样，VSL也很难被证明，因为它的基本特性发生在物理条件下，而物理条件仍然几乎不可能被实验复制。敬请期待。
回到膨胀后的物理事件的发展过程中，但是在b.b.的第一分钟内：如上所述，在普朗克时刻之后的第一个瞬间，不可思议的事件以快速连续的方式展开，导致释放出为宇宙提供动力的动能。硒的发展，创造了辐射的最初阶段。从与这种能量有关的辐射中，物质形成（e=mc2 转化）（在第一分钟，一些物质衰变成辐射，释放中微子和其他粒子）。这些原始形式的物质迅速组织成无数的基本粒子。它们分为两大类：
我） *FERMIONS : all particles with quantum spins of 1/2 of odd whole numbers such as 1, 3, 5 (includes protons, electrons, neutrons); they all obey the Pauli Exclusion Principle which states that no two different particles can have the same values of the four quantum numbers. Fermions can be divided into subgroups: 1) the heavier * *强子 （由胶子结合在一起的某些夸克组合组成的微小粒子，允许在原子核内发生强烈的相互作用），进一步细分为（a） 重子 * (combinations of three quarks [see 4th paragraph below on this page] that include the familiar protons and neutrons (each about 10-13 cm in size [compared with diameters on the order of 10-8 cm for the classical Bohr atom]) and (b) the * 介子 * (short-lived heavier particles) families, and 2) the * 轻粒子 *即使是微小的、相互作用较弱的离散粒子（由电子、重子、μ子和三种类型的中微子（电子中微子；τ中微子；μ子中微子；后两种中微子的发现意味着中微子可能有一个小质量，如果被证明可以解释为或者宇宙中一些失踪的物质在本节后面讨论），以及
二） *BOSONS [，携带信使粒子的力；它们有单位[1]的旋转。最著名的胸部是1）] 光子 * (which have zero rest mass) that are quanta * * * * 对电磁（em）力（以光速作为振荡（正弦）波传播）负责的辐射能，以及 胶子 通过减轻其中强大的排斥力来结合原子核的。理论上认为存在的玻色子，但迄今尚未“发现”的是 引力子 它传递重力（也以光速）。
以上大部分信息总结在下表中。粒子及其相互作用的分类是物质组合方式标准模型不可分割的一部分，该模型适用于任何导致广泛均匀、各向同性的大尺度宇宙的大爆炸情形（没有膨胀的改进），并且是可接受的关于物质和能量来源的现有可验证的总结（注意模型需要不断修改或修订）。
AAAS制作的插图，摘自《经济学人》，2000年10月7日至12日，第96页。
在这一分类中，主要的实体是由夸克（包含质子、中子和介子的分数电荷的基本粒子）、轻子（包括电子）和玻色子组成的费米子，它们是质量有限（但非常小）的力粒子。包含夸克的灰色场是重子群。夸克粒子一般都是通过使用粒子加速器进行的高能物理实验发现和证明的。
这一分类的一个变种，根据每种类型粒子的测量或估计质量排列质量和力粒子，如下所示。图表强调了一种日益增长的信念，即质量本身由希格斯玻色子的相对贡献所控制。
从 超越标准模型的物理学曙光 ，作者：Gordon Kane，科学美国人，2003年6月
夸克是第一分钟早期形成的第一（次）粒子。6夸克的命名（其中有6种类型或“风味”[向上、奇异等，每种都有变体或“颜色”；夸克的各种组合产生不同的核子）是为了方便起见而描述的术语，没有特殊的物理意义。夸克的重子数为+1/3，电荷数为+2/3（上）和-1/3（下），自旋量子数为1/2。大多数人所熟悉的两个重子是由三个夸克组成的： 质子 由两个上夸克（每个+2/3）和一个下夸克（每个+1/3）组成，净电荷为1； 中子 两个向下一个向上夸克，净电荷为0（零）。 介子 只包含两个夸克。作为一种视觉辅助，这一点总结在图中：
|质子、中子和介子的夸克成分。γ
夸克也有一个反符号，因此它们可以组织成反质子和反中子。夸克的其他组合会产生更奇特的粒子；一类包括介子，介子包括介子等成员。- 由一个反上夸克（-u）和一个（d）夸克和卡昂K组成。+ 由（u）和（s）夸克组成。
轻子质量小得多，是单粒子（不包含夸克子粒子）。它们不受强核力量的影响，但可以通过弱核力量相互作用。其中三个轻子（上排）是中微子，它们具有非凡的穿透力（一个中微子可以通过整个地球而不发生相互作用或变化）；曾经被认为是无质量的，现在有证据表明质量非常小。
力粒子（玻色子）与上述单个基本力有关。例如，胶子把重子的原子核结合在一起；Z和W玻色子控制弱的核力；光子是与电磁辐射有关的力载体；重力子传递重力。希格斯玻色子实际上还没有被证明存在（但从理论上讲几乎可以肯定是真实的）；最近在欧洲超级对撞机上的实验可能见证了一些真正的希格斯粒子，但确认可能会等待几个新的超对撞机能够更高能源将于2000年第一个十年前上线。希格斯玻色子被认为是力粒子，它在具有这种性质的基本粒子中占据了质量。
当严格检查标准模型时，现在认为它只是亚原子物理学中的一个近似于完全现实的模型。例如，它无法解释和整合重力。理论家认为，引力必须有自己的玻色子，他们把它命名为 引力子 . 虽然它很可能以某种形式存在，但其现实性尚未得到证实。在目前的任何粒子加速器实验（也在寻找希格斯玻色子）中都没有发现它。
现在，回到第一分钟的事件：到10点-39 第二节有一个基本的对称性断裂，导致肠道力和另一个称为重力的基本力之间的分裂，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）。图中描述了第一秒力分解的历史（模式）：
在大爆炸的第一分钟。|
从 创造的左手 ，J.Barrow和J.Silk，1993年，牛津出版社
10岁 -35 第二，非引力进一步分裂为强电弱力（弱电和电磁力的组合）；然后弱电对在大约10时分离为今天的电磁力和弱力。-10 秒。从10开始-35 到10 -6 秒，物质由称为夸克的亚原子粒子组成（ 夸克时代 以及它们的结合粒子，胶子，存在但尚未参与产生核子（质子、中子）。温度仍然很高（10:sup:28`°K），无法将夸克组织培养到这些核子中。在这个间隔开始时，在能量水平下降到大约10的时候:sup:-16` 肠状态被分解成强核力（结合核）和弱电力（电磁力和弱电力相互作用的复合物）。大约10点-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，六个基本夸克以2或3的组合组织成强子。 强子时代。 . 此时形成的质子保持稳定，但后来产生的一些中子衰变为质子和电子。这个时代是在10岁时开始的-4 通过电子、中微子和其他轻子的出现，持续一秒左右。（ 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，因为自由（无组织）粒子，甚至强子、轻子（特别是中微子）和光子（电磁能的粒子载体）正在成为主导粒子。管，尽管广泛的电子正电子和重子反重子湮灭。当电子出现时，一些与质子反应形成中子，释放中微子。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）。
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。质子电子反应释放的中微子和反中微子也经历了这种破坏。所以，在这一刻，只有基本粒子的残余物存活了下来（几乎？）显然，所有的反粒子都被完全清除了，只留下一些数值上较大的粒子。湮灭是一个非常有效的过程，当正电子和电子相遇时释放出最大的能量-一对电子的破坏产生106 电子伏。在湮灭阶段，由相互作用产生的大量高能伽马射线辐射和其他高能光子开始支配初生宇宙中的粒子。
10 -3 几秒钟后，气温降到了10度。14 K和原宇宙的直径大致相当于我们现在太阳系的大小。在接下来的几秒钟内，温度下降到一个水平以下，更多的反粒子产生在那里。今天组成宇宙的粒子代表了少数幸存反粒子的过剩。后者中的大多数会集中在任何物质团（恒星、星系、气云等）外的近空空间中——如果反粒子仍然大量地与我们在地球上或在更密集的宇宙世界中所处理的粒子共存，破坏的影响可能会被检测出来。表；没有证据表明这种情况会有明显的发展。
在第二阶段，宇宙已经膨胀 ***** 直径约为1至10光年，即使密度已降至约10 kg/cc。 [千克/立方厘米] 温度降到了10度左右10 到了这个时候，宇宙中所有的基本粒子（基本物质）都被创造出来了，主要是从第一秒钟释放的大量光子（能量“燃料”）中产生的。到第一分钟，每6个质子中就有1个自由中子，尽管所有这些中子最终都会与同位素和重元素中的质子结合。质子的普遍过剩持续存在，使得氢原子核成为当时宇宙中最重要的原子种类。到目前为止，中微子以质子与电子结合时释放的能量的形式出现。此后，这些与其他物质脱钩。
研究继续寻找中微子的全部性质的令人信服的证据，中微子通常是在非常高的温度下发生的弱作用力核反应释放的能量粒子。它们在今天非常丰富（宇宙中每一个原子大约有1亿个），其中大部分来自第一分钟的生产，还有一些来自恒星反应。由于不带电（能量为0.001 eV）且无质量或几乎无质量，这些粒子不容易与物质相互作用。它们很容易穿过你的身体，甚至穿过整个地球，因为发生碰撞的可能性很小。因此，它们很难被探测到（从而证明它们的存在）；到目前为止，使用含有水或其他氢化合物的巨大容器进行的精心实验只记录了一些可能的中微子相互作用。然而，它们在大爆炸最初几分钟的高温过程中很重要，因为它们是一些可能的反应的因素，特别是在氦的形成中，因此有助于确定H、He、Li和Be的相对丰度，这些元素是在K物质宇宙的初始组成。
从理论假设和计算中可以推测出宇宙第一分钟发生的事件、条件和序列。实验验证，特别是在这一关键时刻的早些时候，受到了限制，因为当它们发生时，所涉及的能量是巨大的——远远超出了即使是最强大的粒子加速器和其他直接观察粒子的方法的能力。CLE行为。然而，2000年2月，欧洲核子研究中心（CERN）在日内瓦发布的一项声明称（尚未得到其他实验室的验证），其复制的条件相当于宇宙大爆炸的第一微秒（10:sup:`-6`秒）。加速器将铅原子发射到一束射向铅或金目标的高速光束中。瞬间，碰撞点的温度达到了太阳内部温度的100000倍（~15亿°C），在这个温度下，解释实验的物理学家相信，从接触区发出的等离子体在很短的时间内由夸克和胶子组成。当被加热的物质消散时，这些物质迅速结合成质子、中子和电子。新的对撞机，产生至少10倍以上的能量，将在2000年及以后的几年内上线，因此相关的新实验将很可能证实描述第一分钟后段历史的理论模型。与那些在最初时刻存在的能量相比，能量是如此巨大，以至于在可预见的未来没有合适的实验装置是可行的，在地球上的物理实验室里可能永远无法达到。
我们通过评论“大爆炸”扩展中的其他一些主题来结束这一部分。新的模型处理物理方面和膨胀机制在大爆炸的第一分之一秒已经提出（见下文），并背后的理论目前正在实验测试。我们将引用并简要描述目前最有趣的三种，但将放弃任何深入的解释：
1） 原始混沌 ：假设在大爆炸的早期阶段，物质和能量在初始宇宙中的分布和行为明显无序、不均匀、不规则和湍流，随温度和其他标量（非定向）性质的变化，各向异性膨胀率，以及在快速变化的微诗（一个变种，称为mixmaster模型，认为膨胀在开始时振荡成几个瞬时收缩）各个部分的初始条件中的其他干扰；当宇宙在膨胀和后期都在增长时第二，这些不规则性被消除，导致了目前宇宙的总体各向同性；一种版本假定是冷的而不是非常热的初始状态；
2） 超对称 ：一种对称性质，它规定每一个费米子（量子自旋为1/2）都必须有一个相应的带力玻色子（量子自旋为1），称为 斯巴蒂克 适当种类的；同样，每个玻色子都有一个对应的费米子斯巴达克；因此，在这个模型中粒子的数量增加了一倍；这个概念预测，如果这种配对有效的话，一定还有一些亚原子粒子要被发现）；它也有助于简化破坏的符号。尝试困扰标准模型的问题；以及
3） 额外尺寸 ：比如超弦理论；（最后一段）。
第一分钟后的大爆炸时代¶
从第一分钟开始的由物质和能量组成的非常热、密集的“汤”，通常被称为“原始火球”。它被比作类似于 热核聚变 这一事件，产生了一种爆炸式的能量释放，其规模之大正是氢弹爆炸所暗示的。这是一个误称，因为氢原子在早期宇宙中并不存在。能量的释放是不可见的（这种辐射是低温过程的特征），但火球的“辉光”会以很短的波长辐射（其中包括伽马射线）。这个所谓的无形火球随着宇宙膨胀而冷却。它的存在等同于宇宙背景辐射的存在，宇宙背景辐射是由第一个时代的辐射和物质组成的最初的（和小的）“火球”的残余物。
在接下来的10到100秒后的第一分钟，在第一阶段 核合成时代 最主要的过程是氢和氦的稳定核（核子）的产生。一些质子（p:sup：+）和电子（e:sup：-）在最初的湮灭中幸存下来，它们通过弱作用力相互作用结合产生新的中子（n），这增加了剩余强子中子的供应。在这一阶段，最初主导原子核只是一个质子（a=1的氢）。形成氢和氦同位素的基本聚变过程如下图所示：
当温度降到10度以下时9 °K（大约3分钟时），一些中子开始与可用质子（氢核）结合，形成氘核（重氢或氢）。2 原子核）加上γ射线（由反应释放的结合能守恒产生）。当一个中子在较低的温度下被俘获时，它的组合是一个氘原子（目前，每30000个氢原子中大约有1个这样的原子是存活率；因为氘不是在大多数恒星中产生的，所以我们在地球上发现的氘 [与重水分子分离] 被认为是大爆炸第一秒的残余物）；探测到的数量为早期大爆炸期间的核过程提供了良好的理论控制。氘的一小部分可以捕获第二个中子，形成更不稳定的氢。3 或氚。
氘核和质子之间的反应可以产生氦（He:sup:3）。更丰富的他4 （两个质子；两个中子）以几种方式产生：两个氘核之间的反应，氢之间的反应。3 一个质子（稀有），在他之间3 一个中子，或者两个氦之间3 原子核加上释放的质子。另外两种元素也在这个早期阶段以非常小的量被核合成：锂（Li；3质子；4中子）：He4 +H 3 ->李7 +γ和铍（Be；4个质子+3个中子）：He4 +他 4 -->be8 +e - （在核合成过程中的高温下，这种高度不稳定的物质大部分会衰变为锂）。这些元素在一级核合成过程中形成的一般时间线出现在下一张图中，该图绘制了原始同位素的质量数。在它里面，氢质子的丰度任意设定为1——它被设定为在随后的过程中保持不变，在这个过程中，其他的核子随着相对丰度的温度下降而发展。
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由于在z=5（硼）和z=8（氧）处存在势垒，所以在最初的核合成过程中根本不产生原子序数（z）较高的元素；同时，恰好遇到的两个核子的统计概率也很低。在恒星中，这个稳定间隙是由3He的融合来克服的。4 原子核变成单个C12 原子核。通过铁产生的原子序数更高的元素是在质量更大的恒星中产生的，因为它们通过复杂的融合过程（如氦核捕获、质子捕获以及由此产生的更高N核之间的反应）收缩并经历温度升高。原子序数高于铁的元素主要由中子俘获过程产生。（有关这些不同过程的更多详细信息，请参见第20-7页。）
因此，这个短暂的时代见证了原始核成分的合成——约90%的氢/氘和10%的氦（以粒子数计）和75-25%（以质量计），这两种元素组成了后来支配宇宙的两种元素，以及微量的锂和硼。大多数氦都是在这个早期产生的，但是年轻的氦也是恒星中氢燃烧的产物；氦/氢的比率几乎保持不变，因为那时在恒星聚变中产生的新氦和在恒星演化过程中转化成更重元素的量差不多。在最初核合成的临界时间跨度内产生的氢和氦原子核后来成为恒星的基本建筑材料，而恒星内部核合成（聚变）的位置又最终产生了原子序数（符号=Z，其值是一个给定元素的原子核中的质子的唯一数量，高达26个（铁或铁）；从质量和频率来看，这些元素在宇宙中占主导地位（z>26的元素以其他方式产生，需要能量输入而不是释放）。 [as occurs for elements of Z < 26] 如后文所述）。（有关创建的详细信息 [形成] 更重的元素被覆盖在 page 20-7 ）
（一个令人震惊的事实，在这一点上值得突出地指出：在你的身体和我的身体中，绝大多数氢原子以含氢物质的形式存在，包括水和地球上的各种有机化合物 [并按比例外推到宇宙的全部内容] 是原始的，也就是说，由在大爆炸的第一分钟形成的单个质子和在核合成过程中形成的氢原子的核子和氢原子组成。 [单电子] 不久之后。我们身体中的其他元素，O，C，N，Ca，Na，Mg，K，Al，Fe和其他元素，都是在恒星中产生的，我们稍后将看到。因此，我们由真正古老的物质组成，有几十亿年的历史，在某种意义上说，我们是“不朽的”或“永恒的”。虽然看起来有些牵强，但一个人的某些原子可以想象地最终进入另一个人的身体——某种转世——因为在衰变过程中释放的原子可能会迁移到食物链中。 [尽管通过转移实际追踪特定原子几乎是不可能的。] 或者更直接的方法是用大麻作为替代方法。）
当火球随着宇宙的不断膨胀而消退时，产生的物质被分散在一个密度仍然很高的“汤”中，主要是X射线光子辐射，以及中微子加核子和其他基本粒子（辐射、电离的H和He核以及自由电子的混合体）。称为等离子体）。从最初几分钟到大约30万年（宇宙时间，即大爆炸的那一刻）的时间被称为 辐射时代 （意味着电磁辐射的优势）。随着膨胀的进行，质量当量辐射密度（e=mc2 等效性）随着质量密度的增加而降低（今天，质量密度明显超过辐射能密度，即使 数 光子的体积要大得多 [以约10亿光子与每个重子的比率] ）物质在大约10000年后开始占主导地位，但温度仍然太热，电子无法与原子核结合。这一阶段的宇宙是不透明的（从某种意义上说，没有可见光从一个点照射到另一个点），因为即使光子密度降低，在这些波长上可检测到的辐射也被阻止穿过或离开由于内部原因仍在扩大的火球的限制。自由电子散射。
第一次不透明的时代在大爆炸后大约30万年后结束（一些最近的估计是在公元前50万年后结束的），随着 脱钩时代 在这一阶段，冷却温度降至4000°K以下，使质子和氦原子核与电子结合，形成稳定的氢和氦。 原子 -一个被称为 重组 ）随着这个时代的开始，宇宙大约是现在大小的1/200。此后的一段时间里，自由电子数量的极端减少（今天每100000个原子中大约有一个自由质子和一个电子）极大地减少了散射（不是由于阳光照射尘埃时发生的直接碰撞，而是由于光子和电子或质子场）。
这种原子氢吸收不同波长的辐射。例如，在可见光中，宇宙似乎主要由一团黑雾组成。在大约50万年的时间里，这种氢作为一种原子“雾”，仍然保持着宇宙的不透明性（通常被称为宇宙黑暗时代）。此时，雾中的任何辐射都会扩展到紫外线中。在这些波长处会出现一种辉光，因为那时宇宙背景辐射会发出紫外线，因为它继续红移（见20-9页），从之前的较短波长到现在的微波发射波长，这些波长是由持续膨胀的sp引起的。王牌。
然后，随着第一批恒星和原星系的发展，它们强大的电磁辐射输出导致了 Re-ionization （电子的移动）氢元素的增加到早期不透明（可见波长）宇宙现在变得相当迅速的程度。 透明的 辐射跨越这些波长。这使得可见光光子能够通过星际空间，这是一个近乎完美的真空，本身是黑色的，也就是说，它不会发出发光的自辐射，但含有非常低密度的光子和其他粒子（大约每立方米3个原子）。这种透明性有助于宇宙任何区域内可见波长的外部光源自由通过。（到目前为止，已经发现这种再电离的证据不是来自可见光，而是通过使用紫外线辐射来“看到”在这一时期形成的类星体）。因此，当恒星和星系开始形成时，它们的热输出和其他能量输出将使星际氢离子化，使它们的光在可见范围内显示为可检测到的，因此这个阶段的宇宙开始将恒星显示为个体和星团。这并不是“一下子”发生的，而是随着星系的形成和区域的透明而逐渐发生的；因此，在不透明的早期宇宙中，“空穴”间歇性地出现，使得来自银河系邻近区域的再电离过程的光开始在其周围扩散，成为不透明的P。无赖的消散。
据估计，去耦时代可能持续到了前百万年，尽管重子轻子的大部分重组发生在最初几年。因此，脱钩时代的结束是宇宙学中黑暗时代的结束。正如我们将在下一页看到的，在这段时间内，条件变得有利于物质的聚集（密度的轻微增加），这最终导致了星系的组织。
让我们用两个图表来总结上述观点，以及在下一页中介绍的几个观点。第一个是上述宇宙大爆炸后宇宙发展丝绸图的变体，如图所示：
第二个是在序言中提到的一个网站上制作的，序言是由J.Schombert博士开发的21世纪科学课程。在他的网站上贴上“宇宙的诞生”的标签，它用来总结本页已经介绍的许多内容，但也介绍了黑洞可能在物质诞生的那一刻形成的观点。黑洞（在本节中通常缩写为“b.h.”）是普遍存在的物体，主要存在于星系内（但有些可能存在于星系间空间）。它们非常致密，以至于它们异常强烈的引力阻止辐射逃逸（霍金辐射除外），但也会导致周围的物质被拉入它们，通常会产生大量的能量释放，这些能量释放可以在他是所有人。它们的大小从非常小（厘米）到行星尺度上的大小（后者被称为超大质量的B.H.黑洞，通常是由非常大的恒星的最终崩溃形成的）。黑洞在启动星系的过程中起着重要的作用，可能是至关重要的，并且被认为位于大多数（可能全部）星系的中心区域。
鉴于以上观点已为您提供了一个背景理解，因此本文中的三个附加评论是适当的：
首先，术语“质量密度”和“能量密度”在上述段落中出现了多次。在宇宙的初始时刻，辐射能量密度占主导地位。当温度降到约10000°K时，当宇宙约为其目前大小的1/10000时，辐射质量密度（记住e=mc2 等价性）几乎等于物质密度。在第一秒左右之后，质量密度已经超过辐射密度，尽管前面提到的光子比强子和轻子占优势。
第二，最近的一些假设包含在 超空间 假设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，这个一般的维度分裂成了现存的宏观宇宙的4个维度，它们经历了膨胀，6个维度同时崩溃成了量子空间领域，维度大约为10。-32 厘米大小。这一相当深奥的概念在书中有深入的探讨。 超空间 作者：Michio Kaku（锚定书）。
第三条评论认为，组成物质和能量的物理实体可能比夸克和轻子小，它们被称为 超弦 -一维子粒子，以不同的频率振动并以各种方式组合（直链到环链；成束），然后组成许多不同的基本粒子。每种粒子都有其特有的振动频率或谐波），这些振动频率或谐波现在已知存在或可以合理地假设。超弦存在的证明还没有被证实，但是理论支持超弦的存在，并且它们与量子物理学是一致的。作为三维空间的居住者，超弦解释了粒子的最终组成。除了第四维度，时间，超弦与另外6个卷曲维度相连，这些维度围绕粒子的空间排列由半径r的曲率表示（可能非常小，但最近的一个模型允许r高达1毫米）。因此超弦存在于超空间中。如果超弦理论被证明是有效的，它将是物理学史上最伟大的成就之一。这是目前最有希望的量子理论和相对论的调和方法。最近的一个变种解释了万有引力，并有助于解释万有引力的作用，即对我们宇宙的发展和维护至关重要的普遍而微弱的力量。这就是所谓的M理论（M代表多维“膜”（超弦理论家通常称之为“膜”）。这个理论假设了第11个维度（薄膜）；当添加到维度组合中时，结果允许重力子适合于一般图片。Brian Greene在一本书（畅销书）中总结了一篇关于超弦的著名评论或推测，以及超弦对宇宙学的重要性。 优雅的宇宙 1999年，W.W.诺顿公司）
读者须知：以下段落于2002年11月1日添加到此第一页： 在进入第二页（包括星系）之前，首先给你一个更广泛的框架，描述宇宙在宇宙大爆炸后的时空膨胀的一般模型，这似乎是有利的。第20-8页、20-9页和20-10页对这一主题和相关主题进行了更详细的讨论。由于本概要的长度，您可以选择直接转到第20-2页（单击下面的“下一步”）跳过它，或者如果您现在想建立此背景，可以访问 page 20-1a.
:sub:`` <>`__*A measure of cosmic distance to any object beyond our Sun is the light year [l.y.], defined as the distance [~ 9.46 x 1012 or 9,460,000,000,000 km or ~5.9 trillion miles] traveled by a photon moving at the speed of light [2.998.. x 108 m/sec, usually rounded off and expressed as 300,000 km/sec] during a journey of 1 Earth year; another distance parameter is the parsec, which is the distance traversed in 3.3 l.y.) The parts of the Universe now visible are thought to be a region within a (possibly much) larger Universe of matter and energy, with light from these portions beyond the detectable limits having not yet arrived at Earth.`
:sub:`` <>`__** It is often difficult to find a clear definition of the term "space" in most textbooks (just look for the word in their index - it is almost always absent). We tend to think first of the "out there" that has been reached and explored by unmanned probes and by astronauts as the "space" of interest. One definition recently encountered describes space as 'the dimensionality that is characterized by containing the universal gravity field'. The writer (NMS) has tried to think up a more general definition. It goes like this: Space is the totality of that entity that contains all real particles of matter/energy, both dispersed and concentrated (in star and galaxy clots), which fill and are confined to spatial dimensions that appear to be changing (enlarging) with time. Anything one can conceive that lies outside this has no meaning in terms of a geometric framework but can be conceptualized by the word "void" which in the quantum world is hypothesized as occupied by virtual particles capable of creating new matter and space if a fluctuation succeeds in making a (or perhaps many) new Universe(s).`
:sub:`` <>`__*** Symmetry in everyday experience relates to geometric or spatial distribution of points of reference on a body that repeat systematically when the body is subjected to specific regular movements. When rotated, translated, or reversed as a reflection, the points after a certain amount of movement are repeated in their same relative positions (e.g., a cube rotated 360° around an axis passing through the centers of two opposing faces will repeat the square initially facing the observer four times [90° increments} as it returns to its initial position). The concept of symmetry as applied to subatomic physics has other, although related, meanings that depend on conservation laws as well as relevance to spatial patterns. In general terms, this mode of symmetry refers to any quantity that remains unchanged (invariant) during a transformation. Implied are the possibilities of particle equivalency and interchangeability (the term "shuffled" may be used to refer such shifts). Expressed mathematically, certain fundamental equations are symmetrical if they remain unchanged after their components (terms) are shuffled or rotated. In quantum mechanics, gauge (Yang-Mills) symmetry involves invariance when the three non-gravitational forces (as a system) undergo allowable shifts in the values of the force charges. At the subatomic level in the first moments of the Big Bang, symmetry is applied to a state in which the fundamental forces and their corresponding particles are combined, interchangeable, and equivalent; during this brief time, particles can "convert" into one another, e.g., hadrons in leptons or vice versa. When this symmetry is "broken", after the GUT state, the forces and their corresponding particles become separate and distinct.`
在大爆炸的第一分钟，对称性的渐进性破坏被比喻为（类似的）岩浆（火成岩）的结晶过程中的分化。在一定温度（范围）下，具有一定成分的矿物晶体析出；如果它能离开流体岩浆（晶体沉降），则剩余的岩浆成分发生了变化。在较低的温度下，第二种矿物结晶，进一步改变了岩浆成分。当最后一种矿物在较低的温度下结晶时，岩浆就凝固了。所有结晶的矿物质都会保留下来，每个都有自己的成分。在大爆炸中，随着温度的下降，不同的基本粒子被释放，改变初始混合物的能量状态，当达到特定的温度（在不同的时间），直到最终结果是所有这些粒子的出现，随着宇宙的进一步膨胀。冷却液以特定的方式结合在一起（例如，中子和质子形成氢原子核和氦原子核；随后吸收电子转化为原子），最终在恒星、星系和星系间和星系内的近空介质中重组。
:sub:`` <>`__**** 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 = hc/λ where h = Planck's constant, c = speed of light (~300,000 km/sec), and λ = the wavelength of the radiation wave for the particular energy state of the quantum being considered; the energy values vary with λ as positioned on the electromagnetic spectrum (a plot of continuously varying wavelengths).`
:sub:`` <>` __* * * * * 这种极为迅速的扩张反映了通胀的早期影响，其最初的扩张率更高。请记住，宇宙学研究中引用的许多参数值都是当前的估计值或近似值，这些估计值或近似值可能会随着新数据的获取和/或取决于所使用的特定宇宙学模型而改变（例如，标准与膨胀大爆炸模型）。其中，最受欢迎的参数是H，哈勃常数（本文稍后讨论），是哈勃太空望远镜观测的主要目标之一。
主要作者：Nicholas M.Short，高级电子邮件： nmshort@nationi.net