重演大爆炸,看看宇宙在最初的10億分之一秒發生了什麼

宇宙 地球 化學 歷史 核聚變 量子科學論 2019-04-14

我們想了解在宇宙是怎樣形成的?它的命運將是如何?宇宙大爆炸後都發生了什麼?今天小編帶大家重演一次宇宙大爆炸之後的10億分之一秒!

重演大爆炸,看看宇宙在最初的10億分之一秒發生了什麼

地球上的物質不僅在宇宙範圍內很常見,而且在整個宇宙物質數億年的歷史中也很普遍。在地球上,物質由原子構成,原子中心原子核的電力將外圍電子禁錮住。當溫度升高,原子之間的碰撞變得激烈,而外圍電子也會發生移位。當溫度達到約10000度,原子就無法再保持完整。其中的電子被釋放出來,在帶電粒子氣中自由飛行,所謂的“等離子體”。

重演大爆炸,看看宇宙在最初的10億分之一秒發生了什麼

太陽中心的溫度超過100萬度,其中的氫原子被完全打破,形成獨立的電子和質子氣體,這就是上述的等離子體的情況。科學家可以進行類似實驗,將電子和質子束的能量升高到100萬度對應的值,然後相互碰撞。最終證實,太陽實際上是一臺巨型聚變裝置,通過最底層的化學烹飪來持續工作。

實驗發現,如果在更高的溫度下,物質將呈現出更加新奇的形態。我們發現在所有的溫度下電子都會保持穩定,而質子和中子則不能。無論在清涼的地球表面,還是在熾熱的太陽中心,質子和中子都是夸克形成的簇團,通過“膠子”相聯保持凝聚。當溫度更高時,達到現有加速器可以模擬的極限溫度時,核物質似乎融化了:溫度達到10000度時原子分解形成電等離子體,而溫度達到約1000萬億度時質子和中子會分解成“夸克膠子等離子體”。

重演大爆炸,看看宇宙在最初的10億分之一秒發生了什麼

今天的宇宙中已經沒有如此高溫的區域了,只有高能加速器內部粒子碰撞時能形成瞬間的高溫狀態。早在50多年前,質子加速器就已經可以製造出比太陽更高溫的環境,如今,科學家已經可以模擬出宇宙大爆炸之後的瞬間餘波環境。反物質通過反質子和正電子的形式幫助我們模擬大爆炸,當質子轟擊物質靶,靶內有大量的其他質子和中子,它攜帶的大部分能量都浪費在了材料散射上,只有小部分能用於產生新粒子。但是,將反粒子加速到接近光速,再與一束相似速度的對應粒子對撞,將會發生完全的湮滅,所有之前分別禁錮在雙方內部的能量E=mc都被釋放了出來。

重演大爆炸,看看宇宙在最初的10億分之一秒發生了什麼

在正負電子對撞機中進行的實驗,這些實驗證明大爆炸確實產生了電子與正電子、夸克與反夸克,以及大量光子和膠子。這就是宇宙破曉期時的狀態,當時溫度比今天的太陽還高數10億度。隨著宇宙繼續膨脹冷卻,這些基本粒子開始凝結,形成更加複雜的結構。3個夸克相互膠連形成了我們所謂的質子和中子,而由它們形成的大型等離子體球就是恆星,其內部開始製造加工各種元素的核源種。當溫度進一步降低,此時這些核源種得以捕獲經過的電子並形成原子,然後誕生了化學物質、生物以及生命體。

重演大爆炸,看看宇宙在最初的10億分之一秒發生了什麼

在大爆炸之後的140億年間,物質形成並不斷髮展,這個過程我們人類已經瞭解得比較深入了。但有趣的是,我們在研究物質的形成過程時,使用的主要工具是反質子和正電子這些反物質。如果宇宙中存在有大量的反質子和正電子,那麼反恆星就會輕易地將它們吸引並俘獲,然後在內部的大熔爐中將它們熔鍊成各種反元素。

各種跡象表明,最初反物質和物質是成對出現的;只是最終只有物質因為某種原因存活了下來。正負電子對撞機可以研究宇宙剛形成十億分之一秒時的狀態,但比反物質消失這個時間點更早一些,宇宙形成後的瞬間,物質和反物質之間的某種不對稱肯定就已經出現了,由於這種不對稱,讓我們的物質得以存活。

相關推薦

推薦中...