宇宙中的物质结构,以及基本粒子是怎样形成的?

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大爆炸理论中恒星、星系、星系团是如何形成的

大爆炸理论通过已知的物理法则,非比寻常地建构了宇宙在遥远过去的模型,由此外推并对当前我们所看到的宇宙现象做出了预测,并取得了巨大的成功。这个不断膨胀、冷却着的宇宙不仅在数十亿年间孕育了无数恒星、星系、星系团及其大尺度结构,还具有一个让人惊讶的特性,那就是每当我们望向它的越深越远之处,就等于在查看年代越久远的历史照片。

我们观察那些遥不可及的星系和星系团时,看到的不仅是它们随着宇宙的哈勃膨胀现象而离我们远去,还有这些天体在宇宙年轻时和未经充分演化时的样子。这意味着一大堆事情,而且其中很多都已经从观测上得到了验证。

如果我们看到的宇宙更深处不仅温度和密度更高,而且也更年轻,那么当我们观察宇宙的更早期存在什么的时候,应该会看到很多的事情。在遥远的过去,因为还没有足够的时间,所以大型并合事件更少,引力坍缩事件也更少,而星系团的各个成员星系之间的距离也比后来更远。

我们也应该能看到那时宇宙的背景辐射温度比今天观察到的快氏2.725度要高。我们还应该会看到那些遥远的恒星和星系的重元素含量不如现在,因为那时的宇宙还来不及让恒星演化足够多的世代。循此思路一直下去,如果能回望足够远的历史,应该还能发现真正最原始的星际气体云。那时的宇宙还没有任何一颗恒星诞生,也就更没有恒星死亡,从而也不会被恒星演化所产生的重元素给“污染”。

宇宙历史中这些顺理成章的演化链条,全都始于大爆炸,始于过去的宇宙比今天的更热、更致密,其膨胀速度也比今天更快这一事实。大爆炸理论刚被提出时,其预言还没有任何观察事实可以佐证,如今我们却看到这些预言和其他许多科学猜测一样,都已经被精度极高的实测结果所确认。宇宙之所以成为今天这个样子,是因为它经历了一系列重要的事件。下面,我们逆着时间顺序,将这些事件从晚近到古远排列一下:

带有形成生命所需之物质的岩质行星,只会出现在很多代的恒星死亡之后——因为它需要这些恒星耗尽燃料并瓦解,将其创造的重元素返还到宇宙空间。

要能形成上述的恒星,必须先有巨量的物质在引力作用下聚拢起来,形成冷且致密的分子云。这种分子云最终可以坍缩并触发恒星形成。

要形成上述冷的分子云,必须要让构成它的原子失去一些能量,不能让它们具有在宇宙早期阶段那样高的能量。所以,也需要一定的时间才能让它们的温度和动能下降得足够多。

要让这些原子得以存在,宇宙就必须先结束那种既高温又高密的等离子体阶段,否则那些能量足够强劲的光子不会让原子核和电子稳定地结合成中性原子。

要形成第一个稳定并且复杂的原子核,宇宙就必须先从一个比上述状态更加高温的状态中冷却下来,不然哪怕是一个仅比单个质子或单个中子复杂一点点的原子核——氦核(由一个质子与一个中子组成)都会被光子打碎,从而让核反应的链条无法运行下去。

在大爆炸理论看来,上述每个阶段,宇宙都顺其自然地经过了,即通过原子核、原子、分子云的演化,最后形成了恒星。随后,许多代恒星先后存在又灭亡,终于诞生了一些有岩质行星陪伴着的恒星,这些行星上提供了形成生命体所需的物质,我们的地球当然也在其中。

可是,上面这套叙述中仍然包含着一个尚未被彻底审视过的假设,即假定宇宙中的物质是由质子和中子开始的。这个假设看起来并不牢靠——要想明白为什么,我们需要将大爆炸理论继续向前反推,达到甚或超越人类能够探测的能量上限!大爆炸初期宇宙中的基本粒子是如何产生的?

越向宇宙的深处(早期)去观察,就会发现粒子之间发生着越高频次的撞击。但这种撞击不论是否频繁,粒子之间都有着很多种相互作用的方式。比如它们可能发生弹性碰撞,彼此弹开,将碰撞之前携带的能量全部转为动能。

它们也可能发生非弹性碰撞,即其中一方在撞击之后崩解,或者双方经由碰撞而合为一体。而假如碰撞事件的能量够高的话,双方还有可能自动变成新的粒子,如数量相等的物质粒子和反物质粒子。这种事件的发生无须外界的其他刺激,因为能量已经提供了足够的条件,而完成这种相互作用所需的能量之多少,正是由爱因斯坦最著名的方程E=mc^2决定的。

我们如果能让时间倒流,回溯越来越早期的宇宙,不仅会看到物质粒子的平均动能升高,还会看到光子的平均能量也是如此。因此,可以用来产生新粒子的能量也将增加。这样下去,能量肯定会在某一刻升高到足以创造新粒子的水平。

但这不说明任何我们想到的粒子都可以被创造出来。当时还是有一些限定法则要服从的,尤其是粒子只能成对地创生,物质部分和反物质部分只能相等,并且遵循下述的规则:宇宙中的每种粒子都有专门的一套能够描述它,并且能够唯一地描述它的特性,包括:静止质量、电荷、重子数、轻子数、轻子家族号、自旋值,等等。每种粒子都有自己的一种镜像粒子,即一种反粒子。特定反粒子的质量和自旋与特定粒子相同,但电荷相反,重子数相反,轻子数及其家族数也相反。有些粒子虽不带电荷(如玻色子),但也有其反粒子,那就是它们自身。

最后,当粒子和与之对应的反粒子相撞时,双方会发生湮灭,产生两个光子。每一个光子的能量等于“粒子一反粒子”对中的粒子的静止质量,这是由爱因斯坦的质能方程所决定的。

因此,如果我们继续回溯到早至宇宙年龄(即大爆炸发生之后)只有大约1秒的时候,就可以发现当时的能量之高足以自发创生正负电子对(即“电子一正电子”对)。而在比这更早的时段内,还可以自发产生那些更重的“粒子一反粒子”对,如U介子、T介子、质子、中子等的“正一反”对。如果再继续追溯,则可以产生“标准模型”( Standard Model)中的所有已知粒子(及其反粒子)。这里说的粒子除了上面提到的之外,还包括夸克、轻子、胶子、重玻色子甚至希格斯玻色子!

但这里还有一个问题。如果宇宙在其起始是一片超高能的、由光子(它的反粒子就是它自身)和巨大数量的物质与反物质组成的“海洋”,且物质和反物质在创生出来时应该是等量的,那么为何当宇宙膨胀并冷却之后,就只剩下了物质而不见了反物质呢?或者退一步问,为何我们邻近的宇宙里只见物质而不见反物质呢?这就是目前宇宙最大的未解之谜,也就是反物质的消失之谜!目前并没有很好的理论去解释这个问题。


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