物質不能憑空產生,也不會憑空消失,那宇宙的物質都是哪裡來的?

2020-12-05 薛丁格的科學

宇宙大爆炸

我們如今宇宙中的一切物質都來自於宇宙大爆炸之後的3分46秒內,著名的物理學溫伯格曾經寫過一本著名的科普書《最初三分鐘》,在這本書當中就詳細講述了在這3分鐘46秒內發生的一切。

那具體是咋回事呢?

質能等價我們要從愛因斯坦說起,在1905年,愛因斯坦發表了四篇開創性的論文,這四篇論文中最後一篇被稱為質能等價。質能等價描述的是質量和能量之間的等價關係,愛因斯坦通過E=mc^2的方程統一了質量和能量,他認為質量和能量其實是一個東西的兩個面,質量裡還有能量,能量裡還有質量。比如:物體的質量是m,那這個物體就對應了mc^2的能量

在1905年的那篇論文當中,愛因斯坦開頭就提到:若一個物體以輻射形式發射能量L,它的質量減少L/c^2

所以,某種程度上來看,物質本身就是能量的,或者我們也可以說是質量的,還有的人會把物質看成是極度被壓縮的能量形式。

廣義相對論到了1915年,愛因斯坦提出了著名的廣義相對論,在這個廣義相對論當中有個著名的引力場方程。愛因斯坦就發現引力場方程預示著宇宙正在膨脹,這其實和他的「靜態宇宙」的宇宙觀是相互背離。於是,他在引力場方程中添加了一個宇宙學常數,只要將宇宙學常數進行合理的取值,可以抵消掉這個膨脹效應。

但是,很多事情並不能憑藉一廂情願,愛因斯坦就吃了這個虧。後來哈勃就觀測到了宇宙中大多數的星系都在發生紅移效應,這預示著星系都在遠離我們。哈勃還為此提出了哈勃定律來進行描述。進一步分析,我們就發現,宇宙其實就是在膨脹。

根據哈勃的發現,我們往回推,就可以得到宇宙應該有一個起點。但是宇宙從起點,一直持續至今到底是什麼樣子?

這其實讓很多科學家都束手無策,直到一群粒子物理學加入到了構建這個宇宙模型的行列當中來,其中這當中的佼佼者就是伽莫夫、羅伯特·迪克等人。而他們構建的起了的這個模型就是大名鼎鼎的宇宙大爆炸模型。

他們用粒子物理描述了宇宙中早期的演化,並且提出了兩個關鍵證據來證明自己的理論,一個是宇宙微波背景輻射,一個是氦元素的豐度。

後來,科學家相繼證明了兩者都和預言比較吻合。而宇宙微波背景輻射如今成為了天文學家人手一份武功秘籍,關於宇宙微波背景輻射就頒了三個諾貝爾物理學獎,兩個給到了探測宇宙微波背景輻射的項目,另一個則是2019年的諾貝爾物理學獎,給到是理論方。

從這時開始,宇宙大爆炸才成為了主流的科學理論。

宇宙早期物質粒子的形成

而這些科學家構建的這個模型就闡述早期宇宙的演化,也闡明了物質到底是如何演化而來的。具體來說是這樣的,宇宙誕生於138億年前的一次大爆炸。

宇宙大爆炸的早期,宇宙溫度極其高,溫度高達1.4億億億億度,其中都是光和熱。宇宙開始劇烈的膨脹,溫度開始快速地下降。而如今的物質大多數都是在這個時候形成的。那具體是如何形成的呢?

我們都知道,物質其實是由物質粒子構成的,比如:質子,中子,電子等。所以,我們只要搞清楚這些粒子到底如何來的就行。

科學家發現,在極其高溫的狀態下,這裡指的是幾十億以上的溫度。一對光子如何對撞,就會發生我們平時看不到的現象。這是因為光子的反物質就是它自身。當在這樣高溫狀態下,一對光子對撞,就有機會撞出一對物質粒子,光子的能量會轉化為物質粒子的質能,多餘的能量作為轉化為物質粒子的動能。

所以,這些物質粒子說白了就是光子慢慢撞出來的。

其他物質粒子的構成

後來,到了宇宙大爆炸38萬年後,溫度下降到3000度左右,形成了原子結構。不過此時,宇宙中大部分的粒子都是氫原子和氦原子,它們佔據了99%以上。後來,宇宙大爆炸後2億年,在引力作用下逐漸形成恆星,恆星通過核聚變生成了大量鐵元素之前的元素。

而鐵元素之後的元素主要來自於超新星爆炸和中子星合併。

以上就是宇宙中各種物質粒子的由來,也就是它們組成了現在宇宙中的物質。

但其實這裡還有一點並沒有提及,那就暗物質粒子到底咋來的?事實上,我們現在還不得而知,這也是天文學和物理學研究的前沿。

相關焦點

  • 物質不能憑空產生和消失,現今宇宙的物質都是哪裡來的呢?
    根據物質不滅定律,物質(質量)不能憑空消失,當然也不能憑空產生。如果說宇宙是有限的,包括時間的有限和空間的有限,那現今宇宙的物質是從哪裡來的就說不清楚。因此有的人就要說宇宙是無始無終的,是無邊無際、無限無垠的,是一直都存在的,因而就避開了問題的詰問。
  • 既然物質不能憑空出現,那宇宙是怎樣誕生的?
    而在知道這個事實之後,許多人心中出現了一個疑問:物質不能憑空出現,那麼最初的宇宙是如何誕生的呢?  可能和很多人想的不一樣,物質其實是可以憑空出現的。  大家都知道,粒子和物質表面碰撞產生了一種宏觀力——壓力,如果兩塊金屬板之間的虛粒子密度很低,那麼內側的壓力就會小於金屬板外側虛粒子和金屬板碰撞的壓力,哪怕這兩塊金屬板被置於真空中,依舊還會產生相同的「氣壓差」,宏觀表現為靜壓力
  • 物質不能憑空產生也不會憑空消失,現今宇宙的物質都是哪裡來的?來...
    我們身邊的一切物質都是由原子、分子組成的,而原子、分子又由更小的電子總的來說,我們的宇宙就是由這些微觀粒子組成的,要問宇宙的物質從何而來,就要問這些基本粒子從何而來。大約在138億年前,宇宙還是一個密度無限大、體積無限小、溫度無限高的點,稱為奇點,這個沒有體積的點就包含了今天宇宙中的一切物質了。
  • 能量既然不能憑空產生,那生成宇宙的能量來自哪裡
    現代科學對於宇宙的探索了解越來越多,但有一個問題一直困繞著很多科學家。宇宙中的能量最初是從哪來的?根據能量守恆定律,我們知道能量不會憑空消失,也不會憑空產生,它只能從一種形式轉化為另一種形式,或者從一個物體轉移到另一個物體,能量的總量是不會變的。 能量是什麼?
  • 物質不會憑空產生和消失,那麼宇宙中的物質都是哪裡來的呢?
    從質量守恆到能量守恆,再到質能守恆,這是我們認識世界的一個縮影,但有一個問題,質能守恆是在二十世紀初期,那會都還沒發現裂變和聚變,甚至連衰變都還不清楚,我們是怎麼知道質能守恆的?對宇宙中氫元素豐度的觀測中得到的數據,也指向了膨脹的最初幾分鐘內誕生的元素理論模型非常接近。物質是怎麼誕生的?大爆炸理論的萌芽到成熟,大概用了半個來世紀,但宇宙誕生物質只要三分鐘,這效率實在是高,但我們卻不能複製,僅供圍觀。
  • 宇宙物質憑空產生,不符合能量守恆物質不滅的基本物理規律嗎?
    能量守恆物質不滅是這個世界的基本規律。質量守恆定律是俄國科學家羅蒙諾索夫於1756年最早發現的。他的化學實驗發現,在化學反應中,參加反應的各物質的質量總和等於反應後生成各物質的質量總和。但把這個定律用到宇宙大爆炸之前的奇點,就不適用了。因為這個定律是我們這個世界的定律,我們這個世界是個三維空間價一維時間的四維時空,我們現在所有的定理都是適用於我們這個世界。而奇點不是我們這個世界的東西,在它爆炸之前,我麼對它一無所知,所有的理論在那裡都失效,因為那裡是一個無限小、無限大的曲率、無限大的密度、無限高的溫度的地方,一切現在理論到了哪裡都失效。
  • 宇宙中的物質是怎麼產生的?憑空出現還是另有玄機?
    ,因此兩個原子核發生聚變反應後才能產生巨大的能量,從本質上來看,物質和能量是等價的,只是存在的狀態有差別,能量本身就是物質運動後產生的力。質量是物質的本質,而能量是物質運動的體現,在宇宙中任何物質都在不斷地運動,不斷地產生能量,宇宙中不存在絕對靜止的物質,雖然在人類的眼中有些物質在不運動時是「靜止」的,但是在微觀世界中,粒子在不斷的運動,除非進入所謂的「絕對零度」,物質的才會靜止,但是當物質停止運動後,時間也就失去了意義。
  • 愛因斯坦創立了質能守恆定律,那創造物質的能量到底從哪來的?
    先來說說一道簡單的數學題:6-3=?很多人看到這道數學題都表示,你這是在侮辱我的智商吧,這麼簡單的數學題還讓我來算,6-3不就是等於3嗎?,木材這種物質通過燃燒這種方式轉化成為其他物質,自然界並沒有損失什麼,這就是平時我們所說的「物質永恆不滅」原理,世界任何物質都遵守質能守恆定律,簡單一句話就是宇宙萬物不會憑空產生,也不會憑空消失,它只不過由其中一種物質轉化成為其他物質或者能量,既然宇宙萬物不會憑空產生,那麼我們這個世界的物質是怎麼產生的?
  • 宇宙中的暗物質和暗能量是什麼
    或許我們都迷失了方向,思路出錯了。或許根本沒有暗物質和暗能量。那宇宙中從現有的計算中,別的百分之六十的物質去哪裡了?假設我們生活在一個除了四維的多維空間裡,那麼試想一下,有的維度物質分布的多,有的維度分布的少,但是如果從整體宇宙計算一個維度裡的物質時,會發現少了很多,那麼其他物質去哪裡了?
  • 新型冠狀病毒既不能憑空產生、也不能憑空消失,人類怎樣才能躲避
    從病毒感染特性分析、病毒沒有憑空產生也沒有憑空消失、只是變得特異詭變、使人類難以對付。為了戰勝病毒、脫離避免災難,當沒有特效藥或可靠疫苗前、各國政府人民唯一選擇做到「隔離、切斷傳染源頭、不能使人民呼吸有病毒空氣」,難不難取決於一個國家政府人民、負出代價大小取決於現病毒危害該國家程度大小。尊重生命、團結一致、共同抗擊,祝世界人民早日戰勝疫情,願中國人民珍愛身體、保護健康、保護好來之不易成果。
  • 質能守恆告訴大家物質不會憑空消失,那麼人死了,靈魂會去哪裡?
    人去世了就消失了嗎?從人文倫理上來看,這答案一點問題都沒有,不是說一了百了麼,但從科學的意義上來說明的話,人去世後的過程就是物質的結構發生了改變,但總量並不會發生改變,那麼問題來了,傳說中的「靈魂」或者說人的「意識」去哪了呢?
  • 宇宙物質是怎麼來的?科學家告訴你答案,不是無中生有!
    宇宙是非常龐大的,在這個龐大的空間內,存在著各種各樣的天體,而地球只是其中一個渺小的天體。雖然人類當前所具備的能力已經非常強大了,但是人類對於宇宙依然還存在著很多未知。宇宙是浩渺無邊的,科學家曾經發現,宇宙是在不斷發生膨脹的,而人類目前可觀測到的宇宙只有930億光年,在930億光年以外的宇宙究竟是什麼樣子的,人類也沒有答案,不過有一點可以肯定的是宇宙環境是非常複雜的,在宇宙中存在有害射線、輻射等物質,這對於人類來說都是有致命的傷害的。那麼這些物質都是怎麼來的呢?是無中生有嗎?
  • 可視宇宙中最大恆星之一憑空消失?不排除智慧生物動了手腳
    宇宙裡的一切,既不會憑空出現,也不會憑空消失,這是最簡單的常識之一。然而,科學家發現,在可視宇宙中,一顆超級大恆星,居然在人類的面前消失了。幾十年來,科學家一直在觀察它,因為它處於恆星生命的末期,這意味它將引起一場無與倫比的超新星爆炸。我們知道,類似太陽這樣的較小恆星,在瀕臨死亡時,會先脹大體積變成紅巨星,隨後坍縮成白矮星,最終消失不見。
  • 憑空消失?疑惑千年,終被發掘——質量守恆定律
    困擾人們的各種問題 在古代,人們常常看到一些好像是憑空而生或是不翼而飛的現象,百思不得其解。一顆小不點的種子,會發芽,會成長。幼小的嫩芽會成長成為一顆顆撐天大樹,這些構成樹木的物質是從哪來呢?真的是無中生有嗎?木頭燃燒後,不見了;蠟燭燃燒後,也會無影無蹤,它們到哪去了呢?
  • 宇宙的能量來源於大爆炸,大爆炸的能量又來源於哪裡呢?
    相信大家都知道能量守恆定律,也就是能量既不會憑空產生,也不會憑空消失,它只會從一種形式轉化為其他形式的能力,或者從一個物體轉移到另一個物體當中,而在轉化或轉移的過程中,能量的總量是不變的。按照這個說法,能量既然不由憑空產生,那能量從哪來的?有的同學會說能量是宇宙大爆炸來的,那麼宇宙大爆炸的能量來源於哪裡呢?今天我們就來探討一下這個問題。
  • 霍金認為任何被黑洞吸入的物質會永久消失,30年後霍金說:我錯了
    大家好,歡迎收看量子科普第54期,我是常常,今天和大家聊一聊關於霍金悖論的事情黑洞是宇宙中的一種神秘天體,黑洞區域內的引力非常大,黑洞強大的引力會將周圍的一切物質吸入黑洞之中(包括光),那麼問題來了,黑洞將這些物質吸入進去之後
  • 被黑洞吞噬的物質去哪裡了?
    黑洞堪稱宇宙中最可怕的天體,能吞噬其周圍包括光線在內的一切物質,在黑洞內,物理學上的時間和空間都沒有了意義。那麼,如此強大的黑洞會是穿越時空的通道嗎? 現代物理學認為,黑洞是宇宙中客觀存在的一種質量驚人的天體,一般由質量超大的恆星經過演化後,引力坍縮而成。由於其質量超級大,所以在黑洞的周圍會形成很強的引力場,在視界範圍內,所有的物質,包括電磁波都無法逃逸。 由於黑洞不發光也不反射光的特徵,我們人類是看不到黑洞的。
  • 萬物皆可「反」,反電子、反物質、反宇宙、甚至反你,它們在哪?
    它憑空出現這一事實就意味著一些沉睡著的能量被轉化成質量。那個E=mc的公式在行動。就是這樣。但電子還帶著電荷。這就帶來一個問題:那個電荷是從哪兒來的?質量來自能量,質量與能量是等同的,因此從借來的能量中產生質量是一個平衡的過程,只是將一種形式的能量變換成另一種形式而已。
  • 宇宙大爆炸時,反物質經歷了什麼?
    我們能否憑空創造出某種物質?或者更精確一點,能量能否轉化成物質?答案是肯定的。不過,只有在物質與其對立面--反物質同時出現的情況下,這一想法才能適用。反物質有一點神秘之處:宇宙中,反物質存在量遠遠少於其因有量。
  • 物質主義死了?!
    在牛頓的時鐘宇宙模型中,物質與時空毫無關聯,空間只是物質運動的舞臺或背景,時間只是物質運動的一個參數。這個時代,人類大腦裡面的物質,是粒子狀的、團塊狀的,物質代表實有,空間代表虛無。實有就是實有,虛無就是虛無,二者有著明顯而絕對的界線區分。物質不會憑空產生,也不會憑空消失。