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宇宙中所有的物质到底来自什么地方?真的是“无中生有”吗?

  根据宇宙爆炸的原理,宇宙的初始为致密炙热的物质奇点。那么这些物质的前世今生为何物?创造世间万物的宇宙又从何而来?又是什么时间节点得以创造出来的呢?让我们一起回到那个很久很久以前,宇宙初始的阶段~

  

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  在初始阶段,宇宙中不存在任何物质。只有能量表现形式为光的离散光子。当光子具有足够的能量,就会自发地衰变为粒子和反粒子(反粒子基本性质与粒子相同,只是电级相反)。而在当下,由于伽马射线有足够的能量释放出可测量的正负电子对,使得这些粒子可以成功检测和观察到。事实上,光子是属于粒子中玻色子的一员,而衰变也是顺其进行的。许多玻色子在大炸之后能量爆棚,既而后会衰变为质量更大的粒子,比如质子。(E=mc2根据公式,如果粒子的质量较大,那么玻色子的能量就越大)

  

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  图解:描述宇宙膨胀的艺术构想图,其中横坐标表示宇宙演化的时间,而对应的空间尺寸(包括想象中的不可观测部分)都用相应的圆横截面表示。左端表示在暴胀时期发生的急速膨胀(注意不成实际比例),而当宇宙演化到中期时开始加速膨胀。而微波背景辐射的形成、恒星形成、星系形成以及WMAP的出现都在相应的时间上表示出来。 图片来自2006年的WMAP新闻发布会。

  

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  而宇宙中的质量就来自于这种衰变。

  下一个问题来了:那些反物质都去哪儿了?对于那些衰变产生的粒子来说,它们对应的只有一个反粒子。同理,有多少物质就应该对应着有多少反物质。如果事实真的如此,当宇宙稍稍冷却时,每一个例子和其对应的反粒子结合之后会形成玻色子,这个过程叫做粒子湮。实际上,这些粒子对的命运基本上是注定的:每100亿对粒子湮灭,仅有一对能存活。尽管这个比例小的惊人,但却足够形成宇宙中的所有物质。在这个过程当中,一定发生了什么才会最终导致粒子存活的数量超过了反粒子存活数量, 这一现象被称为粒子-反粒子不对称。

  

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  有很多理论可以解释这种不对称性,其中之一叫做电弱重子数产生机制(高能预警,需要强大的背景知识来理解这个概念,本段就大致介绍一下)。质子和中子都为重子,而bARyogenESIs为重子生成即重子产生过程,根据当代粒子物理学标准模型的定义,重子的数量几乎是恒定的,因为量子隧穿效应,仅有一小部分重子是变化的。在宇宙早期阶段,由于温度很高,所以隧穿现象很普遍,也因故产生了大量的重子。电弱则指的是电磁力和弱力从一个力解耦为两个不同的力(很可能是在大爆炸后10^-12秒到10^-6秒之间——这种不对称现象可能在大爆炸接近尾声时才形成)。重子的另一个来源是由于轻子(另一种粒子,包括电子)可以在这一时期转化为重子。

  

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  相关知识

  宇宙是所有时间、空间与其包含的内容物所构成的统一体;它包含了行星、恒星、星系、星系际空间、次原子粒子以及所有的物质与能量,宇指空间,宙指时间。目前人类可观测到的宇宙,其距离大约为93 × 10^9光年(28.5 × 10^9秒差距),最大为27,160百万秒差距;而整个宇宙的大小可能为无限大,但未有定论。物理理论的发展与对宇宙的观察,引领着人类进行宇宙构成与演化的推论。

  

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  根据历史记载,人类曾经提出宇宙学、天体演化学与科学模型,解释人们对于宇宙的观察。最早的理论为地心说,由古希腊哲学家与印度哲学家所提出。数世纪以来,逐渐精确的天文观察,引领尼古拉斯•哥白尼提出以太阳系为主的日心说,以及经约翰内斯•开普勒改良的椭圆轨道模型;最终艾萨克•顿的重力定律解释了前述的理论。

  参考资料

  1.WJ百科全书

  2.天文学名词

  3. Sara Slater- curious

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