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宇宙大爆炸刚开始之时是什么样的?

2018-07-05  |  火星一号 原创 收藏(43)  | 

通过观察我们今天的宇宙,我们不仅看到了各种各样的恒星和星系,我们还看到了一种奇怪的关系:遥远的星系离我们越远,它远离我们的速度越快。这意味着宇宙空间正在膨胀,随着时间推移,所有的星系和星系团之间的距离越来越远。在过去,宇宙更热,更致密,宇宙中的一切联系更紧密。

如果我们尽可能地将时间往回推,我们会到达第一个星系形成之前的某个时间;到达第一颗恒星燃烧之前;到达中性原子或原子核,甚至稳定物质存在之前。在最早的时刻,那时宇宙炽热、密集、均匀地充满物质,那个时刻也被称为“宇宙大爆炸”。下面来了解它最初如何开始的。

有些人可能会问,“大爆炸不是时间和空间的诞生吗?”是的,这是最初的构想。现在的宇宙有一定的大小和年龄,如果往回倒退,最终会来到一个奇点,即空间和时间的诞生。

只是,有大量的证据表明我们的宇宙有一个非奇异的起源。我们从来没有达到过那种极端高温,存在一个限制。相反,对宇宙最好的描述是,在大爆炸之前有一个暴胀时期,而大爆炸是在暴胀结束时所发生的后果。让我们来看看这是什么样子。

在暴胀期间,宇宙是完全空的。没有粒子,没有物质,没有光子,只有空荡空间本身。这个空荡空间里有大量的能量,随着时间推移,能量的精确量会有轻微的波动。这些波动被扩展到更大的范围,而新的小规模的波动又在这之上产生。

只要暴胀继续下去,这种情况就会持续下去。但是,暴胀将会随机地结束,且不会同时出现在所有的地方。事实上,如果我们生活在一个暴胀中的宇宙中,我们可能会发现附近一个区域的暴胀结束,而我们和它之间的空间呈指数增长。在一个短暂瞬间,在那个区域消失之前,我们会看到大爆炸开始时的情况。

在一个最初相对较小的区域中,它也许没有一个足球大,但也许会更大,其空间固有的能量转化为物质和辐射。转换过程相对较快,大约需要10^-33秒左右,但不是瞬时的。随着空间中的能量被转化为粒子、反粒子、光子等等,温度开始迅速上升。

因为转化的能量极其之大,所有事物的运动速度都将接近光速。它们都将表现为辐射,不论粒子是有质量还是无质量都一样。这种转换过程被称为再加热,表示当暴胀结束时,被称为“热大爆炸”的阶段开始了。

在暴胀的宇宙中,空间指数式扩张,随着时间推移,更远的区域加速消失。但当暴胀结束,宇宙重新升温,热大爆炸开始时,随时间推移,更遥远区域远离的速度减慢。从整体角度来看,暴胀结束的宇宙部分,膨胀速率下降了,而周围正在暴胀的区域速度并没下降。

从概率的角度来看,如果我们处于正在暴胀的任何区域,我们极有可能会多次看到附近地区的暴胀结束。这些暴胀结束的地方将很快充满物质、反物质和辐射,而且比那些仍在暴胀的区域的膨胀速度要慢得多。这些区域将膨胀远离那些仍呈指数暴胀的区域,这意味着它们将很快从视野中消失。在标准的暴胀情况下,由于膨胀速率的变化,发生不同热大爆炸的两个宇宙几乎不会发生碰撞或相互作用。

最后,我们将要生活的区域得到了宇宙级幸运,暴胀结束了。空间本身固有的能量被转化成一个炽热,密集,几乎均匀的粒子海洋。唯一的不完美,以及唯一违反一致性的偏差,符合暴胀期间存在(并在宇宙间延伸)的量子涨落。正涨落对应于最初的超密度区域,而负涨落则对应最初的低密度区域。

我们如今无法观察到宇宙初次经历热大爆炸时的密度波动。我们无法获得那么早的视觉特征,我们接触到的第一个来自于那之后的38万年,在它们经历了无数次的相互作用之后。即便这样,我们也可以推断出最初的密度波动是什么,并发现与宇宙暴胀非常一致的东西。宇宙最初的温度波动,即宇宙微波背景,使我们确认了宇宙大爆炸是如何开始的。

我们或许可以观察到来自暴胀结束和热大爆炸开始遗留下来的原初引力波。暴胀产生的引力波以光速向各个方向移动,但与视觉特征不同的是,任何相互作用都无法减缓它们的速度。它们从各个方向持续到达,穿过我们的身体和我们的探测器。如果想要了解我们的宇宙是如何开始的,我们所需要做的就是找到一种直接或间接探测这些引力波的方法。虽然许多想法和实验比比皆是,但到目前为止还没有一个成功探测到。

一旦暴胀结束,空间本身固有的所有能量都转化为粒子、反粒子、光子等,宇宙就会膨胀和冷却。所有的东西都相互碰撞,有时会产生新的粒子/反粒子对,有时会把它们湮灭回光子或其他粒子,但随着宇宙的膨胀,能量总是会下降。

宇宙永远不会达到无限的高温或密度,但仍然能获得比大型强子对撞机所产生的任何东西要高万亿倍的能量。微小的过密区和低密度区最终会演化成今天存在的恒星和星系的宇宙网。在138亿年前,我们所知的宇宙有它的一个开始,接下来就是我们的宇宙历史了。

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