三趣看

第1章 看看宇宙大爆炸（第2页）

如电子质量是9.1x10的负31次方千克，代入公式，我们可以计算出电子的临界温度是5.9x10的9次方摄氏度。也就是说，当宇宙的温度高于这个临界温度的时候，就能在真空里面激发出电子，当宇宙的温度低于这个临界温度的时候，就激发不出电子。同样的方法，我们可以用这个公式计算出上夸克的临界激发温度是2.8x10的10次方摄氏度，粲夸克的临界激发温度是1.5x10的13次方摄氏度等等。

宇宙大爆炸后，10的负12次方秒，宇宙的温度大概是10的15次方摄氏度，这个温度超过了标准模型所有粒子的临界温度。因此在这个时间之前，宇宙能在真空里面激发出所有类型的粒子，最终形成了一团以夸克、胶子、电子、光子为主的粒子云。

大爆炸后10的负6次方秒，宇宙的温度降到10的10次方摄氏度，三个夸克开始结合在一起，形成质子和中子。大爆炸后第3分钟到第20分钟，这时候宇宙的温度和压力跟太阳差不多，于是质子和中子在这段时间内就聚变成了氦、锂等原子核。这时候宇宙主要由原子核、电子和光子三种物质组成。但是这时候的原子核抓不住电子，因为温度实在是太高了，即使原子核抓住了电子，也会被能量极高的光子拆散。

大爆炸后第37万年，宇宙的温度下降到3000K，原子核就能稳稳地抓住电子了，于是就形成了原子。之后原子在引力的聚集下，经过几亿年的演化，最终形成了恒星和星系，宇宙就是这么一步步诞生的。

我们总结一下宇宙大爆炸的过程，从物质角度观察，粒子先是从真空里面被激发出来，之后一步步从小到大聚集；从能量角度观察，随着温度的降低，四种基本作用力一步步分离；从信息角度观察，宇宙最开始高度对称，之后至少发生了7次对称破缺，这就是宇宙大爆炸的整个框架。

四、宇宙大爆炸的证据

1. 哈勃红移：1929年，哈勃发现所有的星系都正在远离我们，距离越远的星系，远离我们的速度就越大，这说明宇宙正在膨胀。如果倒放这个过程，你就会发现这些星系最开始应该是聚集在一起的，这就是宇宙大爆炸的最直接证据。

2. 太初核合成：大爆炸理论认为宇宙在第3分钟到第20分钟之间发生了核聚变，质子、中子按照一定的方式核聚变成了氦二、氦三、氦四、锂等。

3. 宇宙微波背景辐射：宇宙微波背景辐射是大爆炸模型极为有力的证据。下面看看它是如何产生的。

光子与带电荷的粒子会发生相互作用，比如因汤姆孙散射，光子的能量会降低且方向会偏转。宇宙大爆炸后形成了大量自由电子，由于自由电子带电荷，光子撞到自由电子上就会被散射，致使光子不断改变传播方向，这些自由电子如同迷雾般阻碍光子传播，此时宇宙是不透明的。

大爆炸后37万年，宇宙温度降至3000K，自由电子和质子结合形成氢原子，氢原子整体呈电中性，不会散射光子，于是阻碍消失，光子可无阻碍地长距离自由传播，宇宙也就变得透明了。这些自由传播的光子因空间膨胀不断被拉长，从原来的红外线波段被拉长到微波波段，就形成了宇宙微波背景辐射。

1948年，天文学家依据大爆炸模型预言存在这种辐射。1964年，贝尔实验室的两位工程师发现了它，并因此荣获1978年诺贝尔物理学奖。如今我们周围就存在大量宇宙微波背景辐射，每立方米空间平均约有4亿颗宇宙微波背景辐射的光子，它们是宇宙中最古老的光，穿越了138亿年才来到我们身边，静静诉说着宇宙大爆炸的故事。

4. 宇宙年龄的计算：天文学家通过哈勃红移、宇宙微波背景辐射这两种独立的原理和不同方法，分别计算出宇宙年龄，发现二者结果差距不大，都在138亿年左右。并且测量大量古老天体的年龄，在误差允许范围内，没有一个天体年龄超过138亿年。这间接证明宇宙在138亿年前可能发生过一次重大事件。

5. 模拟宇宙演化与观测结构相符：天文学家利用大爆炸模型模拟宇宙几亿年的演化过程，发现其能生成一种网状天体结构，这与目前天文望远镜观测到的超星系团、星系长城、空洞等大尺度纤维结构是一致的。

6. 中微子背景辐射预测准确：大爆炸模型预测存在温度为1.95K的中微子背景辐射。2015年在宇宙微波背景辐射（cmb）上间接发现了温度为1.96K的中微子背景辐射，理论预测值1.95K与实测值1.96K较为接近，可见大爆炸模型的预测还是比较准确的。

二、宇宙大爆炸模型的缺陷及爆胀场理论

不过，大爆炸模型并非完美无缺，它存在至少三大缺陷，分别是视界问题、平坦性问题和磁单极子问题。下面我们来具体看看。

1. 视界问题：这是宇宙大爆炸模型的一个突出缺陷。宇宙大爆炸后诞生了A、b两朵粒子云，因量子力学的随机性，两朵云的温度不同，假设A云温度是3500°c，b云温度是2500°c，且两朵云距离较远，A云在银河系左边，b云在银河系右边。

思考一下，A云的热量能否传递给b云呢？答案是不能，因为热量传递速度不能超光速，而大爆炸后时间太短，A云没有足够时间把热量传递给b云，所以A、b两朵云会存在一定温度差。