三分钟带你看完:138亿年前,宇宙大爆炸后发生了什么?
现代物理学告诉我们,宇宙中的所有物质都来源于138亿年前的一次奇点爆炸。也就是说无论是燃烧的恒星或是地球上的生命,构成它们的物质其实都是同宗同源的。
这些物质形态看上去有着天壤之别,宇宙大爆炸后发生了什么才能诞生地球和人类?
这些物质又是从哪来的呢?
宇宙非常大,在目前可观测的范围内,物质总量估计高达10^53公斤。这还仅仅是人类能够看到的区域,在光尚未到达地球的黑暗地带,那里的物质可能更多。这一切都从一个点演化而来。
上世纪三十年代,美国天文学家埃德温.哈勃在观测遥远星系的运动时发现,这些星系似乎都在远离我们。在扩大了观察范围之后,科学家确定了目前所有星系都在彼此互相远离,这实际上是空间在膨胀,宇宙就像一个不断被打气的气球。
伴随着宇宙膨胀,宇宙中的物质分布密度会逐渐变小。那么反演宇宙过去的历史,空间会不断收缩,最终在某一时间所有物质汇聚在一起。通过宇宙中的一些迹象,科学家确定了这个时间点大约在138亿年前。
那时的宇宙没有时间和空间,只有一个奇点。它的体积无限小,却拥有无限大的温度和质量。在它爆炸的瞬间,产生宇宙历史上最高温度:普朗克温度,高达1.4亿亿亿亿摄氏度。在这样的温度下,除引力之外的三大作用力都还没有分离,一切都在炙热中呈现能量状态。这时的宇宙具备了绝对的高温和巨量的能量,物质即将从中诞生。
1905年,爱因斯坦发表了一篇论文,名为《物质的惯性和它的能量有关吗》。这篇论文的名字听起来难以理解,但它还有个熟悉的名字:质能等价。它还附带了一个公式:E=mc²。
从这里开始,我们知道物质的质量和能量是可以互相转化的。比如核弹的巨大威力就源于核聚变过程中,一部分物质完全转化成了能量。同样的,能量也可以转化为物质。
早期的宇宙基本是纯能量,也就是一堆高能光子。只要温度达到60亿度,光子就能在碰撞中创造出电子。除了电子之外,在不同的阈值温度下,还能够碰撞出不同的粒子。大约在宇宙诞生10^-33秒后,宇宙已经降至合适的温度,不再呈现混沌状态,各种基本粒子开始相继出现。
爆炸发生后的0.11秒,基本粒子全部形成。质子其实就是氢原子核,宇宙中就有了氢元素。随后质子和中子结合,形成氦原子核。此时宇宙间的温度已经不能满足质量和转化的条件,也无法继续核聚变形成更重的元素。
不过随着宇宙逐渐膨胀,氢元素和氦元素也在不断聚集。38万年后,宇宙中的温度降至允许恒星诞生,氢氦原子组成了最初的恒星。这时的恒星被称为蓝巨星,它们质量非常大,寿命也十分短暂。
恒星内部的核聚变就成为了元素的加工厂,氦原子聚变为碳原子,碳原子再变成氧原子。直至最后造出铁原子,恒星的核聚变就会戛然而止,寿命也走到了尽头。它们在死亡时把聚变出的重原子抛洒向宇宙空间,让宇宙拥有了越来越多的元素。
随后一切都顺理成章,这些重元素构成了后来固态行星的基础,让地球有机会诞生。氢和氧结合形成了水,使生命的存在有了保障。可以说正是有了第一代恒星的创造,才有了如今丰富多彩的世界。
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