天才一秒记住【长江书屋】地址：https://www.cjshuwu.com
三、粒子诞生及宇宙大爆炸后的演化
我们再来看看粒子是如何诞生的。
我们都知道，温度越高的物体发出的光波长越短，单个光子的能量就越大，当光子的能量足够大的时候，就能在真空里面无中生有的激发出粒子。
具体来说，宇宙的温度和能激发出的粒子质量由这个公式决定：公式里的k是波尔兹曼常数，t是宇宙的临界温度，m是粒子质量，c是光速。
如电子质量是9.1x10的负31次方千克，代入公式，我们可以计算出电子的临界温度是5.9x10的9次方摄氏度。
也就是说，当宇宙的温度高于这个临界温度的时候，就能在真空里面激发出电子，当宇宙的温度低于这个临界温度的时候，就激发不出电子。
同样的方法，我们可以用这个公式计算出上夸克的临界激发温度是2.8x10的10次方摄氏度，粲夸克的临界激发温度是1.5x10的13次方摄氏度等等。
宇宙大爆炸后，10的负12次方秒，宇宙的温度大概是10的15次方摄氏度，这个温度超过了标准模型所有粒子的临界温度。
因此在这个时间之前，宇宙能在真空里面激发出所有类型的粒子，最终形成了一团以夸克、胶子、电子、光子为主的粒子云。
大爆炸后10的负6次方秒，宇宙的温度降到10的10次方摄氏度，三个夸克开始结合在一起，形成质子和中子。
大爆炸后第3分钟到第20分钟，这时候宇宙的温度和压力跟太阳差不多，于是质子和中子在这段时间内就聚变成了氦、锂等原子核。
这时候宇宙主要由原子核、电子和光子三种物质组成。
但是这时候的原子核抓不住电子，因为温度实在是太高了，即使原子核抓住了电子，也会被能量极高的光子拆散。
大爆炸后第37万年，宇宙的温度下降到3000k，原子核就能稳稳地抓住电子了，于是就形成了原子。
之后原子在引力的聚集下，经过几亿年的演化，最终形成了恒星和星系，宇宙就是这么一步步诞生的。
我们总结一下宇宙大爆炸的过程，从物质角度观察，粒子先是从真空里面被激发出来，之后一步步从小到大聚集；从能量角度观察，随着温度的降低，四种基本作用力一步步分离；从信息角度观察，宇宙最开始高度对称，之后至少发生了7次对称破缺，这就是宇宙大爆炸的整个框架。
四、宇宙大爆炸的证据
1.
哈勃红移：1929年，哈勃发现所有的星系都正在远离我们，距离越远的星系，远离我们的速度就越大，这说明宇宙正在膨胀。
如果倒放这个过程，你就会发现这些星系最开始应该是聚集在一起的，这就是宇宙大爆炸的最直接证据。
2.
太初核合成：大爆炸理论认为宇宙在第3分钟到第20分钟之间发生了核聚变，质子、中子按照一定的方式核聚变成了氦二、氦三、氦四、锂等。
3.
宇宙微波背景辐射：宇宙微波背景辐射是大爆炸模型极为有力的证据。
下面看看它是如何产生的。
光子与带电荷的粒子会发生相互作用，比如因汤姆孙散射，光子的能量会降低且方向会偏转。
宇宙大爆炸后形成了大量自由电子，由于自由电子带电荷，光子撞到自由电子上就会被散射，致使光子不断改变传播方向，这些自由电子如同迷雾般阻碍光子传播，此时宇宙是不透明的。
大爆炸后37万年，宇宙温度降至3000k，自由电子和质子结合形成氢原子，氢原子整体呈电中性，不会散射光子，于是阻碍消失，光子可无阻碍地长距离自由传播，宇宙也就变得透明了。
这些自由传播的光子因空间膨胀不断被拉长，从原来的红外线波段被拉长到微波波段，就形成了宇宙微波背景辐射。
1948年，天文学家依据大爆炸模型预言存在这种辐射。
1964年，贝尔实验室的两位工程师发现了它，并因此荣获1978年诺贝尔物理学奖。
如今我们周围就存在大量宇宙微波背景辐射，每立方米空间平均约有4亿颗宇宙微波背景辐射的光子，它们是宇宙中最古老的光，穿越了138亿年才来到我们身边，静静诉说着宇宙大爆炸的故事。
4.
宇宙年龄的计算：天文学家通过哈勃红移、宇宙微波背景辐射这两种独立的原理和不同方法，分别计算出宇宙年龄，发现二者结果差距不大，都在138亿年左右。
并且测量大量古老天体的年龄，在误差允许范围内，没有一个天体年龄超过138亿年。
这间接证明宇宙在138亿年前可能发生过一次重大事件。
本章未完，请点击下一章继续阅读！若浏览器显示没有新章节了，请尝试点击右上角↗️或右下角↘️的菜单，退出阅读模式即可，谢谢！