物質不能憑空產生,也不能憑空消失,那宇宙的物質都是哪裡來的?

宇宙大爆炸

我們如今宇宙中的一切物質都來自於宇宙大爆炸之後的3分46秒內

,著名的物理學溫伯格曾經寫過一本著名的科普書《最初三分鐘》,在這本書當中就詳細講述了在這3分鐘46秒內發生的一切。

那具體是咋回事呢?

  • 質能等價

我們要從愛因斯坦說起,在1905年,愛因斯坦發表了四篇開創性的論文,這四篇論文中最後一篇被稱為質能等價。質能等價描述的是質量和能量之間的等價關係,愛因斯坦通過E=mc^2的方程統一了質量和能量,他認為質量和能量其實是一個東西的兩個面,質量裡還有能量,能量裡還有質量。比如:物體的質量是m,那這個物體就對應了mc^2的能量

物質不能憑空產生,也不能憑空消失,那宇宙的物質都是哪裡來的?

在1905年的那篇論文當中,愛因斯坦開頭就提到:若一個物體以輻射形式發射能量L,它的質量減少L/c^2

所以,某種程度上來看,物質本身就是能量的,或者我們也可以說是質量的,還有的人會把物質看成是極度被壓縮的能量形式。

  • 廣義相對論

到了1915年,愛因斯坦提出了著名的廣義相對論,在這個廣義相對論當中有個著名的引力場方程。愛因斯坦就發現引力場方程預示著宇宙正在膨脹,這其實和他的“靜態宇宙”的宇宙觀是相互背離。於是,他在引力場方程中添加了一個宇宙學常數,只要將宇宙學常數進行合理地取值,可以抵消掉這個膨脹效應。

物質不能憑空產生,也不能憑空消失,那宇宙的物質都是哪裡來的?

但是,很多事情並不能憑藉一廂情願,愛因斯坦就吃了這個虧。後來哈勃就觀測到了宇宙中大多數的星系都在發生紅移效應,這預示著星系都在遠離我們。哈勃還為此提出了哈勃定律來進行描述。進一步分析,我們就發現,宇宙其實就是在膨脹。

物質不能憑空產生,也不能憑空消失,那宇宙的物質都是哪裡來的?

根據哈勃的發現,我們往回推,就可以得到宇宙應該有一個起點。但是宇宙從起點,一直持續至今到底是什麼樣子?

物質不能憑空產生,也不能憑空消失,那宇宙的物質都是哪裡來的?

這其實讓很多科學家都束手無策,直到一群粒子物理學加入到了構建這個宇宙模型的行列當中來,其中這當中的佼佼者就是伽莫夫、羅伯特·迪克等人。而他們構建的起了的這個模型就是大名鼎鼎的宇宙大爆炸模型。

物質不能憑空產生,也不能憑空消失,那宇宙的物質都是哪裡來的?

他們用粒子物理描述了宇宙中早期的演化,並且提出了兩個關鍵證據來證明自己的理論,一個是宇宙微波背景輻射,一個是氦元素的丰度。

後來,科學家相繼證明了兩者都和預言比較吻合。而宇宙微波背景輻射如今成為了天文學家人手一份武功秘籍,關於宇宙微波背景輻射就頒了三個諾貝爾物理學獎,兩個給到了探測宇宙微波背景輻射的項目,另一個則是2019年的諾貝爾物理學獎,給到是理論方。

物質不能憑空產生,也不能憑空消失,那宇宙的物質都是哪裡來的?

從這時開始,宇宙大爆炸才成為了主流的科學理論。

宇宙早期物質粒子的形成

而這些科學家構建的這個模型就闡述早期宇宙的演化,也闡明瞭物質到底是如何演化而來的。具體來說是這樣的,宇宙誕生於138億年前的一次大爆炸。

物質不能憑空產生,也不能憑空消失,那宇宙的物質都是哪裡來的?

宇宙大爆炸的早期,宇宙溫度極其高,溫度高達

1.4億億億億度,其中都是光和熱。宇宙開始劇烈的膨脹,溫度開始快速地下降。而如今的物質大多數都是在這個時候形成的。那具體是如何形成的呢?

我們都知道,物質其實是由物質粒子構成的,比如:質子,中子,電子等。所以,我們只要搞清楚這些粒子到底如何來的就行。

物質不能憑空產生,也不能憑空消失,那宇宙的物質都是哪裡來的?

科學家發現,在極其高溫的狀態下,這裡指的是幾十億以上的溫度。一對光子如何對撞,就會發生我們平時看不到的現象。這是因為光子的反物質就是它自身。當在這樣高溫狀態下,一對光子對撞,就有機會撞出一對物質粒子,光子的能量會轉化為物質粒子的質能,多餘的能量作為轉化為物質粒子的動能。

物質不能憑空產生,也不能憑空消失,那宇宙的物質都是哪裡來的?

所以,這些物質粒子說白了就是光子慢慢撞出來的。

其他物質粒子的構成

後來,到了宇宙大爆炸38萬年後,溫度下降到3000度左右,形成了原子結構。不過此時,宇宙中大部分的粒子都是氫原子和氦原子,它們佔據了99%以上。後來,宇宙大爆炸後2億年,在引力作用下逐漸形成恆星,恆星通過核聚變生成了大量鐵元素之前的元素。

物質不能憑空產生,也不能憑空消失,那宇宙的物質都是哪裡來的?

而鐵元素之後的元素主要來自於超新星爆炸和中子星合併。

物質不能憑空產生,也不能憑空消失,那宇宙的物質都是哪裡來的?

以上就是宇宙中各種物質粒子的由來,也就是它們組成了現在宇宙中的物質。

物質不能憑空產生,也不能憑空消失,那宇宙的物質都是哪裡來的?

但其實這裡還有一點並沒有提及,那就暗物質粒子到底咋來的?事實上,我們現在還不得而知,這也是天文學和物理學研究的前沿。


分享到:


相關文章: