關於宇宙誕生於一次大爆炸說法,歷來都頗受爭議,但現代天文從各個手段的觀測都表明宇宙似乎誕生於一次138.2億年前的大爆炸,那麼這個Big Bang說是這麼誕生物質的,發生大爆炸的奇點到底有多少種說法,我們今天就來捋一捋!
大爆炸是怎麼誕生物質的?
說起來似乎難以置信,從大爆炸開始到20分鐘時,我們整個宇宙的物質就已經確定了,因為組成元素的強子以及原初物質的豐度都已經確定了!宇宙的第一束光卻要到38萬年後才會發出!我們來了解下這個過程:
普朗克時期:大爆炸開始至10^-43秒大一統時期:大爆炸之後10^-43秒至10^-36秒電弱時期:大爆炸結束之後,10^-36秒至10^-32秒電弱對稱破缺和夸克時期:在大爆炸之後10^-12秒和10^-6秒g強子時期:大爆炸之後10^-6秒至1秒輕子時期:大爆炸之後1秒至10秒鐘光子時期:大爆炸之後10秒鐘至38萬年作為圍觀群眾我們需要知道幾個關鍵節點,因為這對後續繼續圍觀非常有用!
引力是在大爆炸發生後的10^-43秒時候被釋放的引力子退耦是在10^-36秒時候發生的暴漲開始於10^-37秒,結束於10^-32秒夸克和膠子是在10^-6秒時結合誕生質子和中子的中微子退耦是在大爆炸後1S時發生的。大爆炸後的3分鐘時原初的核聚變過程即開始,宇宙中誕生了佔絕對優勢的氫的同位素氕原子核(一個質子),氘(一個質子一個中子),和少量的氦四(兩個質子兩個重子,有兩個氘原子核合成),以及微量的鋰等。大爆炸20分鐘後結束,因為宇宙的溫度已經下降,原初核聚變結束。
光子退耦是在大爆炸後38萬年發生的,因為此前的宇宙溫度極高,密度也極高,光子無法突出重圍,等到宇宙膨脹38萬年後,溫度逐漸降低,宇宙才「晴朗」到光子才得以在宇宙中飛奔!在這裡我們說個題外話,從這個大爆炸誕生的過程,我們可以發現一個有趣的事實,探測手段的誕生時間決定了我們能探測到的宇宙深度,如下是我們僅有的幾個方式:
光子(電磁波)觀測極限是:大爆炸後38萬年中微子探測的觀測極限是:大爆炸後1S引力波探測的極限是:大爆炸後10^-36S(引力子),10^-43S(引力)
所以現在正如火如荼在發展中的中微子和引力波探測,未來將會給我們帶來驚喜!
宇宙大爆炸說法真對嗎?
關於宇宙誕生的探索,最早是蘇聯物理學家亞歷山大·弗裡德曼於1922年在簡化愛因斯坦的廣義相對論後給出了這個宇宙模型的方程。1927年勒梅特在求解這個方程時給出了和弗裡德曼一致的觀點!1929年,哈勃發現遙遠星系紅移,推測出宇宙正在膨脹。由此反推出宇宙的過去曾經在高溫緻密的區域!並且在如下幾個方面都觀測到了證據:
大爆炸的餘暉:宇宙微波背景輻射宇宙誕生之初的元素豐度宇宙正在膨脹中當然根據現代加速器能模擬的宇宙誕生之初(大約10^-12S)時的狀況仍然非常符合,但再往前已經到人類科技所能達到的極限,未能再向前探索,那麼將需要更大型的加速器!當然根據宇宙大爆炸的奇點說「彭羅斯-霍金奇點定理」認為宇宙的開端必須有一個起點,而比較好玩的是廣義相對論會在奇點達到普朗克溫度時失效!不過現代宇宙誕生論為解決此尷尬局面提出了幾個可能的設想:
哈特爾-霍金無邊界條件的時空有限模型弦理論中膜的運動的膜宇宙模型混沌暴脹理論在哈特爾-霍金無邊界條件的時空有限模型中不需要奇點的存在。
後面兩個則是將大爆炸看成是一個更加古老的平行宇宙中一個特別的事件而已,它可能是我這個宇宙的開始,但卻不是最初宇宙的開始!
相信我們在現代加速器和觀測手段的條件下,仍然無法證明奇點是否存在,但這個爆炸過程卻似乎並沒有太大的疑問,在這裡我們必須要提一下一個有趣的事實,上文不是說在到達普朗克溫度之前廣義相對論就失效了麼,這裡量子引力論則認為在達到奇點之前即可誕生宇宙!當然為此事正在努力的理論還有超弦理論與循環量子引力理論等。
不過現在為止仍然還沒有一個令人信服的證據出現!關於宇宙的誕生,可能我們還有很長的路要走,也許引力波探測技術的進步將為大家揭開宇宙誕生的秘密。