宇宙中第一个原子是怎么出现的?

现代物理学观点认为,我们的宇宙起源137亿年前的一次大爆炸。
The Big Bang, where all our storys start!
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虽然宇宙大爆炸还是一个假说,但是越来越多的观测证据都表明,我们的宇宙早期确实存在一个极端高温高密的时期。对于这最初的时刻,我们并不能确切的知道物质到底处于一种什么状态,但我们依然能用目前已知的知识,尽量去还原宇宙的演化过程。
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宇宙的历史
在宇宙大爆炸后极短的时间内,温度极高,各种粒子高速运动。光子与光子之间的碰撞会产生正负电子对、夸克对等正反粒子对,比如
光子+光子→电子+正电子。
当然,正负电子对也会发生湮灭反应变成一对高能光子,这是一个动态平衡的过程。此时,宇宙中物质的温度极高,密度极大,宇宙也在迅速的膨胀。膨胀则会导致温度降低,大约在宇宙大爆炸后 0.000000000001 秒后,发生电弱相变,电磁相互作用和弱相互作用发生分离,由一个统一的电弱相互作用变成两个相互作用。
在电弱相变的过程中,由于某些目前还不知道的原因,正负电子的数量发生了不对称,每十亿个电子-正电子对中大约就多出一个电子。不仅电子,在夸克-反夸克对的湮灭过程中也发生了这样的不对称,这就是著名的正反物质不对称现象。虽然目前还不知道导致这种现象的具体原因是什么,但是这使得我们的宇宙在冷却的过程中,正反物质没有全部湮灭成光子,进而才能形成我们的宇宙。
完美,往往无趣。不对称才是故事的开始!
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此时,宇宙的温度依然很高,温度在数万亿摄氏度以上!
参与强相互作用的夸克和胶子像是自由粒子一样穿梭于整个宇宙中,仿佛不存在夸克禁闭一样。在137亿年后的地球上,人类通过重离子对撞还原出这一刻时,给这一高温高密的物质状态起了一个名字:夸克胶子等离子体。也有人称之为:夸克汤!
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碰撞还在继续,物质还在冷却。
当温度降到了2万亿摄氏度的时候,夸克和胶子终于因为寒冷而决定抱团,相互取暖。强子诞生啦!
把参与强相互作用的粒子叫做强子,科学家的乐趣,往往就这么简单。
作为强子家族中的一员,质子和中子就诞生于此时。
而发生这一切的时候,宇宙的年龄只有0.00001秒!
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其中质子是由两个上夸克和一个下夸克构成,中子由两个下夸克和一个上夸克构成。
一切发生地如此之快,质子已经开始跟中子结合了。在最初三分钟的时候,氕核(即一个质子)、氘核(一个质子和一个中子)、氚核(一个质子和两个中子)、氦核、锂核已经形成了。原子核是构成原子的重要组成部分,原子的质量几乎全部集中在原子核上。
上帝说,要有光,于是便有了光。可是,此时的宇宙却是黑暗的!
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原子核是带电的,而且宇宙中也还有大量的高能电子不断穿梭。这些电子能量太高,以至于原子核微弱的电磁吸引力无法捕获它们。整个宇宙就就处于一团等离子体中。
这样的等离子体对于一束光来说是灾难。光在其中不断经历着吸收和释放,本来有着宇宙中最快的速度,结果跑得比谁都慢。
原来,一个人的前进的道路不仅要有自己的天赋,还要看大环境如何。
有人说,站在风口上,猪也能飞起来。我不知道这句话的真假,但是没有风,猪想飞起来,可太难了。
这样的风口,光竟然等了38万年!
在宇宙第38万年的时候,温度终于足够低,原子核终于能捕获电子形成原子,不再围追堵截光子,光子也第一次感受到了飞行的滋味。
突破重重障碍之后,宇宙的第一束光终于发射出来!
这束光就这样一直前进,不从停止。宇宙在悄悄地膨胀着,光的频率也在悄悄的变化着。宇宙137亿年的历史,终于把一束高能的光子,变成了辐射中的微波,最终成为了电视机中噪音,宇宙中的背景。
图片宇宙微波背景辐射
所以,当再次看到电视机上闪烁的雪花,不要恼羞成怒,你看到的都是宇宙的历史啊!
这些雪花都是宇宙中最初原子诞生的见证者,承载了历史,也承载着光荣。
自此之后,有趣的故事才开始发生......
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你看到的不是噪音,而是宇宙的历史