宇宙中的質量是怎麼產生的?

密333


宇宙中的物質從何而來?物質是由在大爆炸後大約10^-36秒的膨脹期由量子對產生引起的大統一理論對稱性破缺而產生的潛能轉化而成的。

在普朗克時間(大爆炸後10-^43秒),我們的宇宙是一團不可思議的熾熱、粘稠的物質實際上,四種基本相互作用中的三種已經被統一:電磁力、弱相互作用、強相互作用。這被稱為“大統一理論”。這種力的統一和這些力組成了一種對稱性,這種對稱性潛藏著能量。

現在讓我們把時間稍微往後推一點點,到大爆炸之後的10^-36秒。宇宙在急速膨脹,逐漸冷卻。這時,它的溫度逐漸降低,大統一被打破,強相互作用力與電弱力(電磁力+弱相互作用)被分離,這種平衡的破缺釋放出了難以估量的能量。

這股能量非常龐大,直接導致宇宙在10-^32秒之內急速膨脹到原本的10^60倍!這被稱為“暴脹時代”。注意,和當今的宇宙膨脹一樣,膨脹的是空間本身,所以這個過程中沒有打破相對論,相對於周圍的空間,沒有東西比光移動得更快。

現在就到了激動人心的環節了:膨脹的能量創造了物質。

當膨脹發生時,“短暫的存在時間”其實並不短暫,它可能與宇宙的壽命等長!所以真空實際上是無時無刻不被成對的粒子填滿的。粒子和反粒子的性質在所有意義上都是相反的——除了質量,他們同樣擁有正質量。所以,粒子的製造過程實際上是從一片荒蕪中中創造出了物質。

通常來說,這些物質可以被轉化回能量,歸於湮滅。然而當宇宙開始膨脹時,在很短的時間內,成對的粒子和反粒子之間的距離被無限拉遠,它們與自己的“另一半”相隔海角天涯,所以無法轉化回去。於是,粒子和反粒子們得以保留真實可觸的物質形態,而不再是海森堡量子猜想的空中樓閣。

通過這種方式,量子漲落被凍結,物質在能量的膨脹過程中被創造出來。從這一過程中推測出的擾動譜與普朗克號探測器在宇宙微波背景輻射中測到的譜基本一致測度。這就是著名的哈里森-澤爾多維奇譜,譜指數ns=1ns=1。根據膨脹的實際情況預測,由於膨脹結束時產生的影響,實際值應當稍低於此。 其後普朗克號太空探測器測量到 ns=0.97ns=0.97,驗證了這個驚人的事實。






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有三條路徑產生質量:

中微子→正電子+負電子

光子→正中子+反中子

中微子在空洞冷極(-273.15C°)中所有中微子量子態就會趨同形成一個“粒子”,叫中微子玻色-愛因斯坦凝聚態。中微子冰就出現質量,進一步聚集後可以形成黑洞。(先天一代黑洞,愛因斯坦預測的是後天次代黑洞)

質量有三個定義:慣性質量、引力質量和相對論質量。三個質量統一於物體內含有正負電荷數的數量。

鍾馗八字:克己、正心、修身、復禮。


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很多朋友都認為宇宙誕生於虛無,或者認為大爆炸論無中生有,這種都是完全錯誤的觀點,宇宙的物質一直都存在,而且總量完全沒有變化,大爆炸並不能憑空創造物質,它只是一個物質的轉變過程!

從物質的組成開始說起

物質是由原子組成的,現在這是一個小學生都知道的事實,但直到100多年前的盧瑟福從α粒子的散射實驗才知道了原子核的結構,原子核外層的電子佔據龐大的空間,而的原子核卻只佔了微不足道的中心區域,但整顆原子的絕大部分質量都集中在原子核上!組成原子和的是質子和中子,兩者克服庫侖斥力被強作用力緊緊的束縛在一起,無論是讓它們分開還是結合,都需要巨大的能量。因此要讓普通的原子裂變或者輕元素聚變都是一件超級困難的事情!夸克和膠子是組成中子和質子的更小單元,中子和質子都是由夸克組成,但兩者有個小小的區別。

中子:1上夸克+2下夸克

質子:2上夸克+1下夸克

中子可以通過衰變轉換為質子,自由中子的半衰期大約是800秒左右,原子核內部的中子也有一定的概率衰變!而質子則可以通過吸收能量轉換為中子,比如太陽內核正在發生的事情,質子反應鏈的第一步,兩個質子在高溫下通過量子隧穿效應轉換為氫的同位素氘,而這個概率很低,週期很長,這個效應保證了太陽是一顆超級長壽命的恆星(紅矮星更長)

夸克和膠子再往下就不能分了,它們都是屬於標準基本粒子模型的一部分。

夸克相變溫度

質能轉換方程,愛因斯坦在1905年6月27日發表《物質的慣性和它所含的能量有關嗎》論文中闡述了E=mc²這個簡單而又深刻的事實,一百多年來,我們認識到了質量真的可以轉換成能量,比如裂變有0.094%左右的質量轉換為能量,聚變大約有0.7%左右,而正反物質湮滅則可以100%的質量轉換為能量!

那麼有能量轉換為質量的方式嗎?答案是有:一對伽馬光子碰撞可以轉變為電子和正電子對的,但是必須兩個光子的能量足夠高才行。

這是能量轉換為質量的一種模式,而普通光子比如我們的激光和太陽光,能量是明顯不夠的!科學家已經完成了質量轉換為能量,也實現了從能量轉換為質量,那麼有沒有處在中間狀態的物質呢?

2011年6月,布魯克海文國家實驗室的RHIC(相對論重離子對撞機)將兩束金原子核加速到接近光速並使其碰撞,觀測到了高能量密度和超高溫的夸克膠子等離子體!測量到了淨質子數分佈的特徵!與格點量子色動力學的計算結果進行比較後確定了重子數密度為零的情況下,從強子物質到夸克膠子等離子體的相變溫度,根據計算這個溫度大約為2萬億度。

此時的物質處在能量和物質相變狀態,向上則轉變為能量,向下則是質量,也就是夸克和膠子。

宇宙大爆炸將能量轉換質量

宇宙大爆炸是一個將純能量狀態的奇點,通過暴漲降溫後,宇宙的溫度低於相變溫度以下,形成了物質的過程,當然它真正的過程並沒有那麼簡單,而是有一個非常複雜的過程:

普朗克時期:大爆炸開始至10^-43秒

大一統時期:大爆炸之後10^-43秒至10^-36秒

電弱時期:大爆炸結束之後,10^-36秒至10^-32秒

電弱對稱破缺和夸克時期:在大爆炸之後10^-12秒和10^-6秒g

強子時期:大爆炸之後10^-6秒至1秒

輕子時期:大爆炸之後1秒至10秒鐘

光子時期:大爆炸之後10秒鐘至38萬年

夸克膠子相變溫度轉換髮生在大爆炸發生後約10^-6S,從此之後,宇宙進入了強子時代,因為溫度再往下,強子(比如中子和質子)就誕生了!再往後就是太初合成過程(核聚變),宇宙中生成了氫原子核,氦原子核以及裡原子核,此時距離真正的原子誕生還需要38萬年!

因為宇宙密度還很高,高溫導致電子游離,只有待溫度降低才能形成原子,38萬年後宇宙溫度下降,逐漸變得清朗,光子也逃脫束縛在宇宙中飛奔!而物質的原子也真正形成,恆星也將也接過大爆炸的接力棒,繼續在它演化的不同階段中創造氫以後的大部分元素。


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