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光子在宇宙一开始就有吗?微波背景辐射怎么来的,有什么用?

 天童老僧 2019-08-18

我们知道现今宇宙中含量最高的物质形式是由一个质子和一个电子组成的最不起眼的氢原子,它是恒星聚变发光发热的初始原料,是元素周期表中所有元素的起点,是我们一切物质的开始,在我们可观测宇宙中大约含有10^80个原子,构成了我们丰富多彩的宇宙。

那么如果我们把这些都从宇宙空间背景中去掉,空间中还剩下什么?黑暗、寒冷?不不不!我们的空间充满了微小的温度波动,我们称它为——宇宙微波背景辐射!这也是宇宙早期留下辉光,但这并不是宇宙大量光子诞生的时期,我们就回到宇宙早期看下充满空间的微波辐射时怎么来的。

那么它是怎么来的?为何如此重要?

既然被称为宇宙的“指纹”,那我们就必须回到大爆炸的早期阶段,不仅在原子出现之前,甚至在质子出现之前,这时的宇宙充满了所谓的夸克和胶子的等离子体。

如果把物质加热到2万亿开尔文以上,组成原子核的基本成分夸克和胶子就会具有极高的能量,这时把它们称为质子和中子已经没有任何意义了。

相反,夸克,胶子以及在极高能量下允许的任何粒子,都以一种不受束缚的状态存在,我们称它们为——夸克汤!

而早期宇宙的温度更是超过了2万亿开尔文!怎么说。这就跟炼丹炉一样,能量越高,创造出来的东西越多越神奇!事实上这时的宇宙不仅制造了标准模型中的所有粒子,还制造了所有的粒子的反粒子!以及我们至今还没发现的粒子,也就是标准模型缺失的部分。

但宇宙标准模型中最重要的一个特性就是,宇宙会随着年龄的增长膨胀和冷却。

其中一个结果就是:随着宇宙的膨胀可用的能量越来越少,所以制造重粒子就会变得越来越难。另一个结果是:随着温度的降低,意味着夸克开始凝结成束缚的粒子:重子和介子。最后,随着时间的推移,生成的不稳定粒子将会发生衰变!

一些衰变的粒子(可能)造成了宇宙中物质/反物质的不对称性,但绝大多数衰变为稳定的辐射粒子:光子和中微子。

最终的结果是,我们的宇宙充满了大约10^80个质子(和电子),但大约有10^90个光子,这就是光子大量生成的阶段!而此时质子和电子很想结合在一起形成中性原子。但是这时的光子拥有极强的能量,会立即出现,并把电子踢出去,使宇宙一直保持等离子体的状态。所以还需要在等待宇宙的冷却!直到它冷却到足以第一次形成中性原子为止....

那么宇宙需要冷却什么程度,中性原子才能形成呢?上文我们说到光子比原子多了10亿倍!这意味着宇宙需要冷却到平均光子的能量不能再电离氢原子,而且每十亿光子中没有一个光子有足够的能量来电离氢原子。

所以宇宙需要冷却到3000开尔文左右,中性原子才得以形成,而这时的宇宙大约已有38万年的历史了,为什么非要等中性原子的形成呢?因为只有中性原子形成以后,光子才不会和等离子体发生不断地碰撞,阻碍光子地传播,还记得我们地太阳吗?

所以只有中性原子地形成大爆炸遗留下来的辐射最终可以以直线的形式传播,随着宇宙的膨胀而冷却,并在138亿年之后到达我们今天的卫星和望远镜。我们就看到了下图:

这就是这幅著名的WMAP图像向我们展示了天空中每个地方的平均温度是2.725开尔文。这就是微波辐射的来源,大爆炸的指纹,辉光,以及向我们递出的大爆炸“名片”!为什么这么说呢?因为再中心原子之前,宇宙称为不透明时期,而最后逃出来的光线就是我们能看到宇宙早期的唯一线索!所以微波辐射真的很重要!

那么这么重要的信息,我们从中看到什么?

今天其实我还看到了一个问题,有朋友问:微波背景图怎么是个椭圆啊,不应该是整天天空呈球形吗?现在看看上图我们就知道了,这个椭圆就显示了整个天空。

接下来我们要做的是观察这个地图不同部分的平均温度。例如,我们可以把它分成四个相等的小块,看看这四个小块的平均温度是多少,看看它们和整体平均温度的差异。然后,就这样无限细分,我们一遍又一遍的分析,看平均波动的大小如何随着尺度的变化而变化。

例如,发生在大约1平方度的范围内,最大平均温度波动约70-80微开尔文。

这对我们了解宇宙非常有用,因为,根据我们的主要理论,宇宙开始时在所有的尺度上都有相同的温度波动!但到宇宙38万年的时候,情况就完全不同了,为什么呢?

因为宇宙结构已经开始形成了!密度稍高的区域已经开始生长,密集稍低的区域已经开始缩小。而物质密度稍微高的区域,温度越低,物质稀疏的区域温度温度略高!根据温度的波动,我们将能估算出物质的总量!而我们发现正常物质只占了物质总量的1/6。

总结:

简而言之,这些波动产生的模式对当时宇宙中的物质、辐射的数量和类型非常敏感,当我们分析这些数据时,我们就可以知道在任何给定的时间宇宙中存在着多少物质(以及不同的种类)。

这就是WMAP图像的含义,以及它的来源!

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