或許是宇宙最深奧問題：宇宙大爆炸的純能量是如何轉化為物質的？

2020-09-17 宇宙及宇宙外讀者

科學家已經完全改變了我們對宇宙的了解，大多數突破性的進展都是在地球上完成的，這些進展使我們能夠探索外部世界，揭開引力的秘密，發現宇宙本身的起源。不過，我們探索得越深，就越會發現更多更深奧的問題，我們已經問了幾千年的問題：我們從哪裡來？

最初，世界空無一物，沒有星系，沒有恆星，甚至沒有原子。137億年前，從虛無中誕生了萬物，宇宙出現了，我們全部都來自大爆炸，但是它是怎麼發生的呢？我們自身，行星和恆星都是由原子產生的，大爆炸到底是怎樣製造出原子的呢？

本質上來講，沒有能完美解釋物質最初是如何出現的。直到20世紀，人們仍然認為原子是最小的粒子，不過現在我們知道原子內部存在一系列更小的粒子，質子，中子和電子，這些粒子是宇宙中萬物的基本組成元素，它們完全是由大爆炸中的能量通過某種機制形成的，但究竟是如何發生的呢？能量是如何形成我們可以觸摸的物質的呢？

答案可能在於一種神秘的無形場。關於質量的起源和物質的形成，目前的最佳理論叫做希格斯機制，該機制認為宇宙不僅僅包括恆星和行星之間的空間，宇宙中還填充著一種類似糖漿的物質。

一些粒子在希格斯場中運動時與其相互作用，速度減慢成了重粒子，所以組成我們身體的所有粒子都是重粒子，因為它們正在與希格斯場相互作用。其他一些粒子，比如說光子，不與希格斯場相互作用，它們以光速運動。

為證明那種像糖漿一樣奇怪的希格斯場的真實性，科學家需要找到與其相關的粒子，他們稱之為希格斯粒子。問題是這種粒子很難尋找，即使它真的存在，也只能存在很短的時間，唯一觀察它的方法就是穿越到137億年前的大爆炸時這種粒子首次出現的時刻。

這樣做難度太大，但科學家沒有放棄，他們想出了一個特別的方法，在地球上重建大爆炸的條件使那種粒子現身。他們需要一股強大的能量模擬大爆炸那一刻，而最佳途徑就是讓物體以極高的速度相互碰撞。科學家選擇了原子核裡的微小質子，建造史上最大的質子對撞機。

在宇宙大爆炸137億年後，科學家讓我們又回到了時間的起點。大型強子對撞機位於日內瓦城外，跨越法國瑞士邊境，是史上最大的粒子加速器。在史上最大最複雜的科學實驗中，那臺大型強子對撞機只有一個簡單而宏偉的目標，重建大爆炸的條件以解答最深奧的宇宙問題。

對撞機圓盤周圍安裝4個巨大的粒子探測器，來獲取質子碰撞時的圖像。根據科學家的理論，希格斯粒子質量很大，而離子物理學有一個基本規則，重粒子是不穩定的，很容易分裂成更輕的粒子。所以，如果希格斯粒子的確存在，它在很久之前的宇宙早期就消失了。如今，即使我們能夠重建希格斯粒子，它也會在我們看到之前消失。

而強子對撞機就是對希格斯粒子產生過程的模擬，當然我們無法看到希格斯粒子，它在產生後瞬間就分解了，但我們可以看到間接的證據，通過分裂後粒子的運動軌跡繪製圖案科學家可以分析判斷希格斯粒子的存在。

2008年9月10日，大型強子對撞機開啟，首批粒子以接近光速撞擊在一起。2012年7月，科學家宣布首次發現希格斯粒子！神秘的希格斯場確實存在，這意味著我們如今可以更好地理解宇宙中萬物的組成及其原因！

科學家對宇宙的探索是我們人類經歷過的最偉大的探險發現之旅，不過每位合格的探險家都會告訴，你打開的每扇門後面都會有另一扇門等著你。科學家讓我們看到了一個更加美麗更加奇特超乎想像的世界，不過對於我們來說，這種探險發現旅程才剛剛開始，宇宙中還有太多的奧秘等著我們探索發現！

相關焦點

  • 宇宙初始能量來自大爆炸,那麼是什麼能量促使了宇宙大爆炸?
    學過物理的人都知道，在物理學當中有一條非常著名的定律，那就是質量守恆定律，而對於世間萬物的存在都遵守能量守恆定律，能量守恆定律主要內容為所有的物質能量既不會憑白無固的產生，也不會無聲無息地消失，能量只能從一種形式的能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，在轉化和轉移的過程當中
  • 宇宙「大爆炸」能量是怎麼來的呢?
    宇宙起源在現有的理論中是來自「奇點」的「大爆炸」。那麼大爆炸的能量又是怎麼來的呢？宇宙大爆炸之後，「爆炸後的能量」最終形成了包括地球在內的所有天體，還有人類所需的各種元素。爆炸所產生的的能量最終轉化成為物質。
  • 構成宇宙大爆炸的物質從何而來?
    這個問題沒有確切的/已證實的/公認的答案。然而，「膨脹宇宙」等模型產生了許多不同的觀點。這個模型假設，就在大爆炸之前，宇宙中充滿了一種不穩定的能量形式，而我們對它的性質一無所知。在某一時刻，這種能量被轉化為基本粒子，我們今天所觀察到的所有物質都是從這些基本粒子中產生的。
  • 物質轉化能量很容易,為何能量轉化為物質卻很難?這裡告訴你原因
    但是能量轉化為物質幾乎很難遇到，甚至讓我們有點懷疑能量到底能不能轉化成為物質，問題來了，為什麼能量那麼難轉化成為物質呢？，才能讓這些燃燒後的物質從新變成1千克的煤炭，這是目前人類科技根本無法實現的，人類連讓能量與這些物質產生反應變成煤炭這個原理還沒弄清楚，更不用說讓它們瞬間發生能夠形成煤炭的反應了，而且要想讓能量轉化為物質，必須主動收集能量，然後主動讓這些能量瞬間與物質產生反應才可以，也就是說如果不是主觀去做的話，幾乎不可能讓能量轉化為物質，換句話說自然是不可能發生能量轉化為物質現象的，只有人類主動去做才可能實現能量轉化為物質
  • 為什麼物質轉化能量容易,而能量轉化物質卻非常難?
    大家已經非常習慣了，認為物質轉化能量不是很正常的一件事嗎，但是很多人卻沒有想過這樣一個問題：根據愛因斯坦的質能方程，物質和能量是可以相互轉化的，也就是物質可以轉化為能量，同樣能量也可以轉化物質。如果能量也可以轉化物質，我們就可以用能量造出煤炭，木頭，黃金，鑽石等物質，可以說只要是物體，都可以通過能量來轉化。
  • 物質可以轉化為能量,為啥能量很難轉化為物質?
    同時愛因斯坦又告訴我們物質和能量其實是同一個事物的兩個方面，也就是說質量和能量其實就是一回事，就好像一個硬幣的正面和反面，這也說明物質和能量其實是可以相互轉化的，不過物質轉能量比較簡單，比如原子彈爆炸。但是能量要轉化為物質就難的多了，為啥逆過程就很困難呢？今天我來談談這個問題。
  • 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。
  • 宇宙中所有的物質和能量都是宇宙大爆炸產生的?實際或並非如此
    然而天文學家推測，宇宙中最重要的成分是暗物質和暗能量，暗物質佔宇宙25%，暗能量佔70%，只有剩下的5%才是我們通常所能觀測到的普通物質。那麼這麼多的物質都是怎麼出現的呢？要探討物質的來由，就一定會牽扯到一個最根本的問題，那就是宇宙是怎麼來的？
  • 為什麼物質轉化能量天天出現,能量轉化物質卻只出現過一次!
    相信大家都聽過宇宙大爆炸假說，這個假說認為我們的宇宙來源於一個「奇點」，這是一個質量和密度都是近似於無限大的存在，因為爆炸產生了無比巨大的能量，此後數十億年，能量有慢慢轉變成了宇宙中的物質，這就是最基本的物理定律之一，物質和能量之間的互相轉換。
  • 宇宙大爆炸之前,密度是否存在?
    關於宇宙起源，我們已經接受了宇宙大爆炸的理論，這是最好的解釋，那麼問題來了，在宇宙沒有誕生之前，是否存在密度？在大爆炸之前，沒有任何內容包含在內。當整個宇宙的物質被壓扁超出物質的極限而存在於奇點中時;夸克，膠子和物質的每個基本構建塊都會轉化為純粹的能量。不會有任何物質受到任何物理定律的約束。沒有物質，沒有反物質，只有純能量。
  • 最初的宇宙物質:近乎完美 「夸克湯」膨脹似宇宙大爆炸
    據國外媒體報導，宇宙是在一次大爆炸中形成的，隨後恆星和星系並非立即誕生形成。科學家認為，最初的宇宙物質是近乎完美的夸克液體，夸克是最小的已知原子組成部分。目前，科學家在高能量粒子碰撞實驗中發現夸克液體存在的證據，越來越多的證據表明，這些液體能夠以意想不到的方式形成，爆炸性地產生向外流動的微小液滴，就像小型液體大爆炸，科學家們正在研究如何控制該過程。美國範德堡大學朱莉婭·維爾科維基卡（Julia Velkovska）教授說：「實際上，我們通過選擇拋射體類型，從而能夠設計液滴的外形結構。
  • 能量究竟是什麼?它又是如何在宇宙大爆炸中轉變成質量的?
    能量究竟是什麼？它又是如何在宇宙大爆炸中轉變成質量的？普遍的假設是：大爆炸之前宇宙空「無」一物。沒有空間也沒有時間，沒有物質也沒有能量。所以問題升級為：「無」是如何轉化成「有」的，如物質或能量？這顯然是不可能的，所以開始的假設必定是錯誤的。物理學家往往忽視的是意識。意識可以模擬虛無，比如睡眠，也可以模擬大爆炸，比如佛教徒從虛空中覺醒。
  • 神奇的能量轉移——揭秘宇宙大爆炸的真相
    那麼，宇宙大爆炸的過程也就是空間轉換過程。奇點時期可能具有極高的溫度。我們不知道物質在這種極高溫度下是怎樣的狀態，所以奇點狀態也曾經被科學家說成是純能量體。純物質在極高溫狀態表現為我們未知的物質成分也可能會發生（我們已知的物質成分如質子，夸克），仍可大膽推測，這些未知物質成分在極高溫度下形成元空間，也就是奇點。
  • 大爆炸、暗物質與宇宙的命運
    宇宙到底是如何構成的？這個問題困擾了人類千百年的時間。按照目前宇宙物理學的理論，宇宙起源於一場宇宙大爆炸。宇宙的形成是目前人類的終極問題，對於宇宙大爆炸的探索，科學家們是否已經有答案了呢？宇宙是如何膨脹的？宇宙有可能還會再爆炸一次嗎？暗物質又如何被發現？人類是否將會陷入永恆的孤寂？
  • 宇宙世界千變萬化,初始能量就來自大爆炸,究竟是啥原因促使了?
    拉瓦錫通過大量的定量試驗，發現了在化學反應中，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。這個規律就叫做質量守恆定律(Law of conservation of mass)。也稱物質不滅定律。它是自然界普遍存在的基本定律之一。宇宙世界千變萬化，初始能量就來自大爆炸，究竟是啥原因促使了？
  • 根據宇宙大爆炸理論,我們宇宙會永遠膨脹下去嗎?
    如果宇宙大爆炸理論正確，那麼根據現有的天文觀測數據，宇宙有較大可能會一直膨脹下去，具體結果取決了我們宇宙中暗能量壓強和暗能量密度之比，目前科學家還不知道準確的值。宇宙從何而來？宇宙最終又將如何？根據宇宙大爆炸理論的描述，我們宇宙誕生於138億年前，目前宇宙處於加速膨脹當中，關於宇宙未來的探討還存在爭議，如果宇宙大爆炸理論正確，那麼宇宙未來無非就三種情況：大撕裂、大坍縮和臨界膨脹。
  • 物質到底是哪來的?人類有辦法把能量轉化為物質嗎?
    質能方程其實關於這個問題，也就是能量到物質的轉變，無論是在宇宙中，還是在人類的實踐都實現過了。但是要了解這個問題，我們要從最本質的問題出發，那就是愛因斯坦的狹義相對論。話說在1905年，愛因斯坦提出了4個具有開創性的科學理論。
  • 大爆炸理論的奇點產生了宇宙所有的物質,它究竟是怎樣的存在?
    大爆炸的起始點「奇點」的由來也是有著一定歷史的，首先是大爆炸宇宙論的提出，後來由霍金與彭羅斯兩人的貢獻，基於廣義相對論提出了宇宙必然來自於「奇點」。奇點是個什麼東西呢？我們知道宇宙是膨脹著的，現在仍然處於加速膨脹的階段，而在早期，宇宙暴漲的過程中，宇宙的大小呈指數級暴漲，這就說明宇宙來自於一個體積很小、能量極高、密度極大的「奇點」，很好理解，由於奇點很小，能量密度高到了現代物理學都無法解釋的地步，因此才暴漲的如此迅猛。
  • 宇宙大爆炸——宇宙大爆炸是否產生了宇宙的所有物質
    1923年哈勃通過對星雲距離的測量最終確認了河外星系的存在，後來又發現了普遍的星系紅移，推測宇宙在膨脹，自然宇宙的過去比現在小，最小為零，這樣宇宙大爆炸理論就漸漸地形成了。可是有一個問題一直存在:宇宙大爆炸產生的物質是宇宙的全部還是部分?可以發現當年宇宙學家們毫不猶豫地選擇了前者，但現有的證據無法證明:宇宙大爆炸一定產生了宇宙的全部物質，這僅僅只是個假設。
  • 按照質能方程E=mc^2,能量能轉化為物質麼?
    那該如何理解呢？其實這部分的理解是關於相對論最大的誤區，在許多科普中在描述原子彈爆炸時，都會說「質量轉化了能量」。發現沒有？這裡直接描述成了轉換關係。但是，我們要知道，愛因斯坦的這篇論文可是叫做《質能等價》，他要表述其實等價關係。