13張快照,帶你瞭解宇宙的起源——從大爆炸到現在

一開始什麼都沒有。然後,大約在137億年前,宇宙形成了。我們仍然不知道這是在什麼情況下發生的,以及之前是否有過一次。但是利用望遠鏡觀測和粒子物理模型,研究人員已經能夠拼湊出宇宙生命中主要事件的大致時間線。在這裡,我們來看看我們的宇宙最重要的歷史時刻。

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宇宙大爆炸

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這一切都始於大爆炸,“大爆炸是時間上的一個瞬間,而不是空間上的一個點,”加州理工學院(California Institute of Technology)的理論物理學家肖恩·卡羅爾(Sean Carroll)說。確切地說,它是時間本身開始的那一刻,從那一刻起,所有後來的瞬間都被計算在內。儘管大爆炸的綽號廣為人知,但它並不是真正意義上的爆炸,而是宇宙極度炙熱、密度極高、空間開始向外同時向各個方向膨脹的時期。雖然大爆炸模型表明宇宙是一個密度無窮小的無限小點,但這只是一種簡單的說法,即我們不太瞭解當時的情況。 數學上的無限性在物理方程式中沒有意義,因此“大爆炸”確實是我們目前理解宇宙破裂的地方。

宇宙膨脹時代

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宇宙的下一個把戲就是變得非常大,非常快。在宇宙大爆炸後的前0.000000000000000000000000001秒內(1前面有30個0的小數點),宇宙的大小可能呈指數增長,將宇宙中原本密切接觸的區域分開。這個被稱為膨脹的時代仍然是一個假設,但宇宙學家喜歡這個想法,因為它解釋了為什麼遙遠的空間區域看起來彼此如此相似,儘管它們之間相隔很遠。早在2014年,一個研究小組就認為他們已經在早期宇宙的光中發現了這種膨脹的信號。但後來的結果卻非常平凡:干擾星際塵埃。

夸克膠子等離子體

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在時間開始的幾毫秒後,早期的宇宙真的很熱——我們說的是7萬億到10萬億華氏度(4萬億到6萬億攝氏度)之間的熱。在這樣的溫度下,被稱為夸克的基本粒子在質子和中子內部自由漫遊。膠子攜帶著一種被稱為“強力”的基本力,它與夸克混合在一種瀰漫宇宙的粘稠的原始流體中。研究人員已經成功地在地球上的粒子加速器中創造了類似的條件。但這種難以實現的狀態只持續了幾分之一秒,無論是在陸地上的原子撞擊中,還是在早期宇宙中。

早期時代

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在大爆炸後的千分之一秒左右,時間的下一階段發生了很多變化。隨著宇宙的膨脹,它開始冷卻,很快條件就足夠溫和了,夸克可以聚集成質子和中子。大爆炸一秒鐘後,宇宙的密度下降到足以讓中微子——最輕、相互作用最小的基本粒子——在不撞擊任何物體的情況下向前飛行,產生了科學家們尚未探測到的所謂的宇宙中微子背景。

第一個原子

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在宇宙形成的最初3分鐘裡,質子和中子融合在一起,形成了一種被稱為氘的氫同位素,以及氦和少量第二輕的元素鋰。但是一旦溫度下降,這個過程就停止了。最後,在大爆炸38萬年後,物質冷卻到足以使氫和氦與自由電子結合,創造出第一個中性原子。光子以前會撞到電子上,現在可以不受干擾地移動,產生了宇宙微波背景輻射(CMB),這是1965年首次探測到的那個時代的遺蹟。

黑暗時代

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在很長一段時間裡,宇宙中沒有任何東西發出光。這一時期持續了大約1億年,被稱為宇宙黑暗時代。這個時代仍然非常難以研究,因為天文學家對宇宙的知識幾乎完全來自星光。沒有星星,很難知道發生了什麼。

第一顆星星

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大爆炸後約1.8億年,氫和氦開始坍縮成大球體,其核心產生了地獄般的溫度,照亮了第一批恆星。宇宙進入了一個被稱為“宇宙黎明”或“再電離”的時期,因為早期恆星和星系發出的熱光子將星際空間中的中性氫原子分解成質子和電子,這個過程被稱為電離。再電離到底持續了多長時間很難說。由於它發生得如此之早,它發出的信號被後來的氣體和塵埃所掩蓋,因此,科學家們所能得出的最佳結論是,它在大爆炸後約5億年就結束了。

大型星系的誕生

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這就是宇宙開始運轉的地方,或者至少是我們今天熟悉的運轉的地方。早期的小星系開始合併成更大的星系,大爆炸大約10億年後,超大質量黑洞在它們的中心形成。明亮的類星體,產生強烈的光信標,從120億光年遠的地方就可以看到。

宇宙的中期

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宇宙在接下來的幾十億年裡繼續進化。來自原始宇宙的高密度點通過引力吸引物質。它們慢慢地成長為星系團和長串的氣體和塵埃,形成了一個美麗的絲狀宇宙網,我們今天可以看到。

太陽系的誕生

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大約45億年前,在一個特定的星系中,一團氣體坍縮成黃色的恆星,恆星周圍有一圈光環。這些光環合併成八顆行星,加上各種彗星、小行星、矮行星和衛星,形成了我們熟悉的恆星系統。這顆距中心恆星第三遠的行星在這一過程中設法保持了大量的水,否則之後彗星就會帶來大量的冰和水。

地球和人類

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在38億到35億年前的第三個水世界(取決於你問的是誰),微小、簡單的微生物突然出現了。這些生命形式出現並演變成奇妙的海怪和巨大的食葉恐龍。最後,大約在20萬年前,出現了直立行走的生物,它們能夠驚歎於我們這個神秘的宇宙,並發現整個宇宙是如何形成的。

結束了(或者沒有結束?)

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當然,這並不是事情的結束。物理學家仍然不太清楚宇宙的未來。這取決於暗能量的細節,暗能量是一種將宇宙分開的神秘力量,其特性還沒有得到很好的測量。在一個可能的未來,宇宙將繼續永遠膨脹,足夠長時間,所有星系中的所有恆星將耗盡燃料,甚至黑洞也將蒸發成虛無,留下一個死的宇宙,充滿惰性的能量。或者,引力最終會克服暗能量的擴張力,將所有物質拉回一起,形成一種被稱為大收縮的反向大爆炸。或者,暗能量可以加速一切與其他一切越來越遠的距離,形成所謂的大撕裂,在這個過程中,宇宙真的會撕裂自己。


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