三趣看

第1章 看看宇宙大爆炸（第1页）

主角下达指令，带我进入宇宙大爆炸那一刻。

个人梦境机迷你版:主人，已准就绪。

进入梦境，宇宙大爆炸之旅开启。

一、物质无中生有的现象及相关理论

我们先来看三个现象：

1. 在粒子对撞机里，两个高速运动的质子相撞后，变成了两个低速运动的质子、一个碳块和一个反碳块。我们都知道质子是由上夸克和下夸克组成，质子里并没有粲夸克，可最后竟然无中生有地多出来两个粲夸克。

2. 两个能量极高的电磁波相撞，能在真空里变成一个正电子和一个负电子，这种现象被称为布莱特-惠勒过程。在我们的传统认知中，电磁波更偏向于能量，而电子更偏向于实体物质，这种现象表明能量可以转换成物质。

3. 在一片什么都没有的真空里存在一个电场，只要电场的强度超过10的18次方伏特每米，就能在真空里激发出一个正电子和一个负电子，这种现象叫施温格效应。这就更令人震撼了，因为几乎不需要初始物质，只需加强电场就能凭空变出电子。

这三个现象揭示出一个规律：能量加真空等于粒子，这里的能量可以是任何形式的能量，比如动能、势能、辐射等等都可以。真空里虽然没有粒子，但有各种类型的场，如电子场、夸克场、希格斯场等等，只要给这些场提供能量就能激发出粒子。例如，只要给真空里的电磁场能量，就能激发出一个实体的电子；只要给真空里的夸克场能量，就能激发出一个实体的夸克。标准模型里所有的粒子都能通过这种方式无中生有。

二、宇宙大爆炸过程中的对称破缺

大爆炸后，在10的负43次方秒之内，人类已知的所有物理理论都失效，四种基本作用力在这个时间可能是统一的。10的负43次方秒的时候，宇宙的温度冷却到10的32次方摄氏度，引力率先从四种基本作用力中分离出来；10的负36次方秒的时候，宇宙的温度冷却到10的28次方摄氏度，强力又分离了出来；10的负12次方秒的时候，宇宙的温度冷却到10的15次方摄氏度，弱力和电磁力分离，至此四种基本作用力全部分离。

为什么四种力会分离呢？是因为宇宙温度的变化引发了相变。打个比方，水蒸气的温度下降到100°c的时候会发生相变，凝结成水，水的温度下降到0°c的时候，也会发生相变，冻成冰。四种力也是如此，随着宇宙温度的下降发生了三次相变，最终导致四种力分离。那什么是相变呢？相变的本质是对称破缺。

你可以简单这么理解，宇宙最开始高度对称，之后发生了三次对称破缺，每减少一部分对称性，就会分离出一种力。人类目前可以在粒子对撞机上验证最后一次对称破缺，只要温度超过10的15次方摄氏度，电磁力和弱力就会完完全全地统一在一起，无法区分。但是前两次的对称破缺由于粒子对撞机的能量不足，现在还无法通过实验验证。

除了这三种对称破缺，很多高能理论，例如弦论、量子引力等，都认为在极高的能量下，洛伦兹对称性会被破坏，狭义相对论不再成立。

一个完全对称的宇宙会是什么样子的？我们都知道，能量从真空里面激发出一个正粒子的同时，也一定会激发出一个反粒子，因为正反粒子相遇后会湮灭成光子，所以如果宇宙完全对称，就会全部变成光子。因此人类无法在完全对称的宇宙里面存活。

幸运的是，宇宙在10的负11次方秒的时候发生了cp对称破缺，导致正物质比反物质多了10亿分之1，最终形成了现在的正物质宇宙。宇宙在10的负12次方秒的时候还发生了希格斯场的对称破缺，这次对称破缺赋予了w、Z玻色子质量。宇宙在10的-6次方秒的时候发生了手征对称破缺。手征对称破缺是质子和中子质量的主要来源，因为人的质量主要来源于质子和中子，所以人的质量也主要与手征对称破缺密切相关。

宇宙大爆炸后至少发生了7种对称破缺，也就是说宇宙最开始的时候高度对称，之后在一次次的对称破缺中，宇宙的对称性不断降低，最终形成了我们这个世界。

三、粒子诞生及宇宙大爆炸后的演化

我们再来看看粒子是如何诞生的。我们都知道，温度越高的物体发出的光波长越短，单个光子的能量就越大，当光子的能量足够大的时候，就能在真空里面无中生有的激发出粒子。具体来说，宇宙的温度和能激发出的粒子质量由这个公式决定：公式里的k是波尔兹曼常数，t是宇宙的临界温度，m是粒子质量，c是光速。