科学界对宇宙大爆炸有了突破性的解释。
1. 这些在量子涨落中不断随机出现的虚粒子对,并不是 100%都会湮灭,有那么一个、两个甚至很多个错开了,没有湮灭就成了宇宙奇点。
2. 科学界对宇宙大爆炸理论的深入理解确实涉及到了量子涨落的概念,这一理论认为在绝对真空的环境中,由于量子力学的不确定性原理,能量会以量子泡沫的形式短暂出现,形成虚粒子对,包括正反物质对。这些虚粒子是以正反电荷形式成对出现的,这些粒子对通常会迅速相互湮灭回归到真空状态。
3. 在海森堡不确定性原理随机量子涨落状态下,虚粒子对如果表现的都是非常对称和完美,就都会湮灭了,永远不会有物质留存下来。然而由于宇宙早期的极端条件,包括宇称不守恒现象,这种对称的湮灭过程可能并不完全,导致某些粒子对没有湮灭,累积起来形成了宇宙的初始物质。
4. 微观世界在总的对称状态下存在着破缺,会偶尔出现不对称的状态,这就是世界万物不断变化的根据。杨振宁和李政道提出的宇称不守恒定律揭示了物理过程中的不对称性,这为理解宇宙中物质的起源提供了关键线索。
5. 在大爆炸的极早期阶段,这种不对称性可能导致了正反物质不完全平衡,使得一些物质得以留存下来,成为宇宙大爆炸后物质的基础。这些残留的物质随后经历了宇宙的快速膨胀、温度和密度的下降,最终形成了原子分子,乃至恒星和星系。
6. 氢氦等轻元素是最早形成的物质,它们通过核聚变过程在恒星内部生成更重的元素,从而构建了宇宙中复杂的化学组成和生命的基础。因此宇宙的物质并非无中生有,而是从量子涨落的微观世界中通过一系列物理过程,特别是在宇宙初期的特殊条件下逐渐积累并演化而来的。
7. 这一过程符合爱因斯坦的质能方程 E=mc2,表明能量可以转化为物质,反之亦然,从而解释了宇宙物质的起源。宇宙大爆炸初期的质量与现在宇宙的质量相比存在显著的差异,这主要归因于宇宙的膨胀和物质的生成过程。
8. 初期宇宙处于极高的能量状态,但质量非常微小,根据计算大爆炸普朗克时间,尺度内的宇宙质量仅为 21.45 微克,而这个能量如果转换成爆炸威力仅相当于 461 公斤 TNT 炸药,这与现在宇宙的总质量相比简直是微不足道。
9. 现在的宇宙质量包括可见物质、暗物质和暗能量,可见物质如恒星、行星、气体和尘埃,仅占宇宙总质能的 4.9%。暗物质虽然不发光也不反射光,但通过引力作用被间接探测到占大约 26.8%。暗能量一种导致宇宙加速膨胀的力量,构成了剩余的 68.3%。将这些加起来可观测宇宙的总质能估计达到惊人的 2×10^54 公斤,这是一个天文数字,远远超过了大爆炸初期的质量。
10. 这种巨大的质量增长并非违反质量守恒定律,而是因为宇宙在膨胀过程中能量通过量子过程转化为物质,尤其是在宇宙冷却足够低,允许粒子对稳定存在并形成原子时。此外暗物质和暗能量的出现也是宇宙质量增加的重要因素。尽管它们的直接起源仍然是现代物理学中的未解之谜。
11. 因此从大爆炸的微小起点到现今的庞大规模,宇宙经历了从能量到物质的转化以及宇宙结构的形成,这一过程体现了物理定律的奇妙和宇宙演化的复杂性。宇宙从普朗克时间尺度的质量发展到现今的巨大质量是一个涉及量子力学、热力学、宇宙学和粒子物理学的复杂过程。这一转变大致可以概括为以下几个关键阶段:
·1.量子涨落与大统一时代:在宇宙极早期的普朗克时间尺度了(约 10^-43 秒),宇宙处于极端的高温和高密度状态,所有的基本力(电磁力、弱力、强力和引力)可能尚未分化处于大统一状态。量子涨落导致了能量的短暂波动,这些波动在宇宙膨胀过程中被'冻结',成为物质和反物质的种子。
·2.暴胀时期:大约在大爆炸后 10^-36 秒到 104-32 秒之间,宇宙经历了一个快速膨胀的阶段称为暴胀。这个过程不仅解释了宇宙的平坦性,还通过稀释了早期的不均匀性,留下了微波背景辐射的微小温度波动,同时将量子涨落的微小差异放大,成为星系形成的种子。
·3.物质与反物质的不对称:在宇宙冷却到一定程度后,物质和反物质开始相互湮灭,但由于未知的物理机制存在一个微小的物质过剩,这个剩余的物质构成了现在宇宙中的所有原子和恒星。
·4.核合成:大约在大爆炸后 3 分钟,宇宙冷却到足以让质子和中子结合成氘和氦等轻元素,这是宇宙中第一批重元素的形成。
·5.再结合时期:大约 38 万年后宇宙冷却到足够低的温度,电子和质子结合形成中性氢原子,释放出自由流动的光子,形成了今天观测到的宇宙微波背景辐射。
·6.结构形成:随着时间的推移物质在引力作用下聚集,形成了星系、恒星和行星等结构。暗物质的分布对这一过程起到了关键的引导作用,因为它提供了额外的引力势能帮助物质聚集。
·7.恒星的生命周期:恒星内部的核聚变过程产生了更重的元素,这些元素在恒星死亡时被抛射到宇宙中,成为新星系和行星的建筑材料。
综上所述,宇宙从极小的质量起点到现在的巨大规模是通过量子效应、宇宙膨胀、物质与反物质的不对称性、核合成以及复杂的天文物理过程逐步实现的。这一过程揭示了宇宙从微观量子世界到宏观宇宙结构的壮丽演变。宇宙空间是物质的生灭范围维度,时间是物质生灭顺序,而物质是时间和空间的存在内容。