13张快照,带你了解宇宙的起源——从大爆炸到现在

一开始什么都没有。然后,大约在137亿年前,宇宙形成了。我们仍然不知道这是在什么情况下发生的,以及之前是否有过一次。但是利用望远镜观测和粒子物理模型,研究人员已经能够拼凑出宇宙生命中主要事件的大致时间线。在这里,我们来看看我们的宇宙最重要的历史时刻。

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宇宙大爆炸

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这一切都始于大爆炸,“大爆炸是时间上的一个瞬间,而不是空间上的一个点,”加州理工学院(California Institute of Technology)的理论物理学家肖恩·卡罗尔(Sean Carroll)说。确切地说,它是时间本身开始的那一刻,从那一刻起,所有后来的瞬间都被计算在内。尽管大爆炸的绰号广为人知,但它并不是真正意义上的爆炸,而是宇宙极度炙热、密度极高、空间开始向外同时向各个方向膨胀的时期。虽然大爆炸模型表明宇宙是一个密度无穷小的无限小点,但这只是一种简单的说法,即我们不太了解当时的情况。 数学上的无限性在物理方程式中没有意义,因此“大爆炸”确实是我们目前理解宇宙破裂的地方。

宇宙膨胀时代

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宇宙的下一个把戏就是变得非常大,非常快。在宇宙大爆炸后的前0.000000000000000000000000001秒内(1前面有30个0的小数点),宇宙的大小可能呈指数增长,将宇宙中原本密切接触的区域分开。这个被称为膨胀的时代仍然是一个假设,但宇宙学家喜欢这个想法,因为它解释了为什么遥远的空间区域看起来彼此如此相似,尽管它们之间相隔很远。早在2014年,一个研究小组就认为他们已经在早期宇宙的光中发现了这种膨胀的信号。但后来的结果却非常平凡:干扰星际尘埃。

夸克胶子等离子体

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在时间开始的几毫秒后,早期的宇宙真的很热——我们说的是7万亿到10万亿华氏度(4万亿到6万亿摄氏度)之间的热。在这样的温度下,被称为夸克的基本粒子在质子和中子内部自由漫游。胶子携带着一种被称为“强力”的基本力,它与夸克混合在一种弥漫宇宙的粘稠的原始流体中。研究人员已经成功地在地球上的粒子加速器中创造了类似的条件。但这种难以实现的状态只持续了几分之一秒,无论是在陆地上的原子撞击中,还是在早期宇宙中。

早期时代

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在大爆炸后的千分之一秒左右,时间的下一阶段发生了很多变化。随着宇宙的膨胀,它开始冷却,很快条件就足够温和了,夸克可以聚集成质子和中子。大爆炸一秒钟后,宇宙的密度下降到足以让中微子——最轻、相互作用最小的基本粒子——在不撞击任何物体的情况下向前飞行,产生了科学家们尚未探测到的所谓的宇宙中微子背景。

第一个原子

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在宇宙形成的最初3分钟里,质子和中子融合在一起,形成了一种被称为氘的氢同位素,以及氦和少量第二轻的元素锂。但是一旦温度下降,这个过程就停止了。最后,在大爆炸38万年后,物质冷却到足以使氢和氦与自由电子结合,创造出第一个中性原子。光子以前会撞到电子上,现在可以不受干扰地移动,产生了宇宙微波背景辐射(CMB),这是1965年首次探测到的那个时代的遗迹。

黑暗时代

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在很长一段时间里,宇宙中没有任何东西发出光。这一时期持续了大约1亿年,被称为宇宙黑暗时代。这个时代仍然非常难以研究,因为天文学家对宇宙的知识几乎完全来自星光。没有星星,很难知道发生了什么。

第一颗星星

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大爆炸后约1.8亿年,氢和氦开始坍缩成大球体,其核心产生了地狱般的温度,照亮了第一批恒星。宇宙进入了一个被称为“宇宙黎明”或“再电离”的时期,因为早期恒星和星系发出的热光子将星际空间中的中性氢原子分解成质子和电子,这个过程被称为电离。再电离到底持续了多长时间很难说。由于它发生得如此之早,它发出的信号被后来的气体和尘埃所掩盖,因此,科学家们所能得出的最佳结论是,它在大爆炸后约5亿年就结束了。

大型星系的诞生

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这就是宇宙开始运转的地方,或者至少是我们今天熟悉的运转的地方。早期的小星系开始合并成更大的星系,大爆炸大约10亿年后,超大质量黑洞在它们的中心形成。明亮的类星体,产生强烈的光信标,从120亿光年远的地方就可以看到。

宇宙的中期

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宇宙在接下来的几十亿年里继续进化。来自原始宇宙的高密度点通过引力吸引物质。它们慢慢地成长为星系团和长串的气体和尘埃,形成了一个美丽的丝状宇宙网,我们今天可以看到。

太阳系的诞生

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大约45亿年前,在一个特定的星系中,一团气体坍缩成黄色的恒星,恒星周围有一圈光环。这些光环合并成八颗行星,加上各种彗星、小行星、矮行星和卫星,形成了我们熟悉的恒星系统。这颗距中心恒星第三远的行星在这一过程中设法保持了大量的水,否则之后彗星就会带来大量的冰和水。

地球和人类

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在38亿到35亿年前的第三个水世界(取决于你问的是谁),微小、简单的微生物突然出现了。这些生命形式出现并演变成奇妙的海怪和巨大的食叶恐龙。最后,大约在20万年前,出现了直立行走的生物,它们能够惊叹于我们这个神秘的宇宙,并发现整个宇宙是如何形成的。

结束了(或者没有结束?)

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当然,这并不是事情的结束。物理学家仍然不太清楚宇宙的未来。这取决于暗能量的细节,暗能量是一种将宇宙分开的神秘力量,其特性还没有得到很好的测量。在一个可能的未来,宇宙将继续永远膨胀,足够长时间,所有星系中的所有恒星将耗尽燃料,甚至黑洞也将蒸发成虚无,留下一个死的宇宙,充满惰性的能量。或者,引力最终会克服暗能量的扩张力,将所有物质拉回一起,形成一种被称为大收缩的反向大爆炸。或者,暗能量可以加速一切与其他一切越来越远的距离,形成所谓的大撕裂,在这个过程中,宇宙真的会撕裂自己。


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