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上回书说到,宇宙从小小的一个奇点开始,Big Bang一声开天地,时空都从这个奇点涌现出来。宇宙从此开始膨胀和冷却,一步步地走下温度的台阶,每下一个台阶,就变一次身。
站在1032度这个台阶上,宇宙说:引力出来。于是引力被从大统一力中一脚踹了出来,另外三兄弟还抱在一起(上回书出现了口误,说书人在此致歉);站在1028度这个台阶上,宇宙又说:强力出来,于是强相互作用也被一脚踹了出来,剩下电磁力和弱力还相亲相爱地以电弱力的统一面目出现。
本回书的故事就开始于电弱两兄弟开始分家单过后的一瞬间,宇宙已经结束了暴胀期,无中生有地一口吃成了个大胖子,从白来的真空里获得了一大堆白来的能量。这些能量一部分随着宇宙的膨胀和冷却转化成最基本的粒子,一部分把宇宙维持在足够高的温度上。大爆炸之后的千万分之一秒,这时候的宇宙还被辐射所主宰,在明亮的辐射照耀下,是一片沸腾的夸克的海洋。
这就是宇宙的“夸克期”。
夸克期
要展示这段时间的宇宙舞台,不得不首先隆重介绍一下夸克这位主要演员。它是物质的基本单位,也是全宇宙唯一能够参加所有四种基本相互作用——引力相互作用、强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用的基本粒子。夸克带的电荷数很古怪,有的带1/3个负电荷,有的带2/3个正电荷,必须互相搭配才能凑出整数的电荷数来。
夸克有6种不同的“味”,相当于6种不同形状的拼图,其中上夸克和下夸克是一对儿,顶夸克和底夸克是一对儿,粲夸克和奇异夸克是一对儿,每一对都是一个一1/3电荷搭配一个2/3电荷的组合,这是夸克家族的三个世代;每种“味”又分红绿蓝3种“色”,相当于每个不同形状的拼图都有3种不同颜色。所以算起来总共有三六一十八种不同的夸克,每种夸克对应一种反夸克,这就是浩浩荡荡三世同堂总共36种夸克。夸克和夸克之间通过胶子来相互作用,待会儿宇宙温度再下一个台阶的时候,胶子就会把夸克们黏在一起。不过现在所有的夸克和胶子还都自由自在,互不干涉。它们挨挨挤挤、摩肩擦踵,和另一大类粒子——非常轻的“轻子”一起,挤满了这段时间的宇宙。
夸克期的时间非常短,但是宇宙在这时候可是忙得不可开交:夸克、胶子和轻子都是最简单的基本粒子,它们不断地从充满辐射的虚空中成对诞生,又立刻成对湮灭,达到完美的热平衡。但是宇宙可不会满足于这种单纯的热闹和简单,当它的年龄达到1微秒时,又毅然决然地在温度的台阶上朝下迈出一步,蹦到了1013度这一级上。这一步迈出,就断送了夸克期的自由和热闹。有分教:
六味三色分正反,虚空生灭起重楼;
难逃束缚因强力,夸克从此不自由。
强子期
在温度下降的同时,粒子运动速度变慢,这回强相互作用可发挥作用啦,它利用胶子作为媒介,一把抓住了夸克,把它们三个一群两个一伙地黏了起来。这次的抓捕是一劳永逸的,夸克从此被判了无期徒刑,再也没能单独跑出来。
宇宙现在改变了审美品味,它再也不喜欢1/3这种电荷数目了,不凑出整数的电荷不许出来混。于是胶子们精心搭配,把夸克们的电荷数拼凑成1、0或者-1。由夸克组成的粒子都参加强相互作用,它们被统称为“强子”,宇宙从第一个微秒开始进入了强子期。
强子分为两大类,一类由三个夸克组成,分量可想而知是很重的,所以叫“重子”。另一类由一个夸克和一个不同味的反夸克(同味的碰到一起马上就会湮灭掉)组成,比重子轻,可是又比轻子重,介于两者之间,所以叫“介子”。介子是传递相互作用的粒子,重子是组成物质的粒子。重子家族有两位代表我们很熟悉,那就是质子和中子。
现在的宇宙舞台被强子和反强子霸占了,光子、轻子和反轻子也在舞台上晃悠,形成稠密的混合物。基本的戏码倒是没什么变化,还是粒子的产生和湮灭。但在强子期的舞台上,发生了一段对我们来说至关重要的剧情:宇宙这一次抛弃了正反粒子的对称,它玩了一个小小的把戏,让粒子的数量稍稍超过了反粒子的数量。
差别并不大,在强子期结束的时候(宇宙年龄100微秒),大约每10亿对正反粒子中会多出1个粒子。这个落单的粒子被保留下来,其余的10亿对正反粒子互相湮灭消失。没有人知道宇宙是怎么做到这一点的,不过正是多出来的这十亿分之一的物质,构成了我们现在这个物质宇宙。要是宇宙没能在强子期作弊成功,如今的宇宙恐怕就只能是一片荒芜静默,空荡荡没什么东西了。
轻子期
强子期之后的下一个台阶是轻子期,从温度达到1012度开始。我们最常听说的轻子是电子和中微子,这一段的主角也就是它们。如果说强子期的关键剧情是“捕获”,原本自由的夸克被“强力”这个警察抓起来关到强子里,那么轻子期的关键剧情就是“解放”,中微子从此逍遥法外,再也不跟别的粒子发生相互作用。
跟夸克分为三个世代一样,中微子也分为三代。三种中微子分别对应电子、μ子和τ子——我们不用管后两种陌生的粒子是干啥的,只要记住:电子中微子只跟电子相互作用、μ子中微子只跟μ子相互作用,τ子中微子呢,只跟τ子相互作用。而且中微子有个格外狡猾的特性,电子和正电子很容易相互湮灭,μ子和反μ子也一样,但中微子和反中微子之间却不能轻易湮灭。所以当中微子的“伴侣”消失之后,它自己却能天长地久地存活下来,以光速在宇宙中毫无阻碍地运动。
随着宇宙的不断冷却,正反μ子对和电子-正电子对的产生速度越来越跟不上湮灭的速度,只好从宇宙舞台上退场。它们这一退场不要紧,μ子中微子和电子中微子顿时也获得了解放。现在宇宙里再也没有什么东西会和中微子相互作用了,它成为了宇宙的背景,到处以光速打着酱油,甚至可以轻而易举地穿过地球而不碰到任何一个粒子,就这么大摇大摆地扬长而去。
轻子期的另一个重要事件,是质子和中子产生了明显的数量差异。这个差异其实在强子期就已经出现,因为中子比质子稍微重一点点,于是产生中子的难度也就比质子稍微大一点点。在强子期结束的时候,因为温度很高,质子和中子之间可以相互转化,差异还不明显。随着轻子期温度的降低,中子可以衰变为质子,质子却已经不可能和电子结合成为中子,于是中子越来越少,中子和质子的数量比逐渐从1:1变成了1:5。
与此同时,宇宙的温度又下降了一个台阶。在轻子期的末尾,宇宙年满1秒的时候,绝大多数电子都成对湮灭,把自己湮灭的能量全部传递给了光子。从此,宇宙告别了轻子期,进入了辐射期。
辐射期
辐射期持续的时间那就比前面所有时期都要长了,从宇宙年龄满1秒开始,一直持续了整整10万年。辐射期结束的标志就是辐射密度与物质密度相等,这时候宇宙的温度是几千度——说到这里需要额外声明一下,本文里出现的温度其实都是国际温标,说多少度的时候指的都是多少开尔文。用国际温标做单位的最大好处是套公式不用换算,宇宙里辐射的密度和温度的4次方成正比,物质的密度和温度的3次方成正比,所以随着温度的下降,辐射密度下降得更快,在宇宙年满10万年的时候两者达到相同水平,在那之后,就是物质占据主导的时期了。
在辐射期的初期,宇宙中发生了一件惊天动地的大事。短短200秒间,宇宙中有大约四分之一的自由质子和电子被转变成了氦原子核。宇宙中有这么多恒星,所有的恒星加起来花了100亿年的时间才把宇宙中2%的氢变成氦,而宇宙早期的这次核合成,却把10倍于此的氢在200秒内燃烧成了氦。
这次巨大的席卷整个宇宙的核合成事件被称为“太初核合成”,它意味着宇宙中最早的元素划分。上演太初核合成的那一级温度台阶是10亿开,这是氘核刚好能够保持稳定的温度。宇宙在年满100秒的时刻踏足这一级台阶,这段时间的舞台,是质子和中子的天下。
书中暗表,在宇宙温度降到10亿开的时候,质子和中子的数量比早就又已经发生变化,如今是每7个质子才对应1个中子。由此算来,每16个核子(质子和中子合称为核子)中会产生1个氦核和12个氢核,相当于所有物质中的四分之一转变成氦。至今,宇宙中的氦也没能比它刚诞生300秒的那时候增加多少。氢和氦的丰度之比正是支持大爆炸假说的最初的几根支柱之一。其他更重的元素,除了极少量的锂之外,都要等最初的恒星点燃之后,才能从恒星中诞生。这正是:
太初有核分氢氦,生灭诸子论重轻。
辐射君临十万载,元素还须待恒星。
自止之后,宇宙平平无奇直至芳龄10万岁,辐射密度与物质密度旗鼓相当之时。到那时,宇宙又换得一副新面貌,你我更当刮目相看。欲知后事如何,且听下回分解。
站在1032度这个台阶上,宇宙说:引力出来。于是引力被从大统一力中一脚踹了出来,另外三兄弟还抱在一起(上回书出现了口误,说书人在此致歉);站在1028度这个台阶上,宇宙又说:强力出来,于是强相互作用也被一脚踹了出来,剩下电磁力和弱力还相亲相爱地以电弱力的统一面目出现。
本回书的故事就开始于电弱两兄弟开始分家单过后的一瞬间,宇宙已经结束了暴胀期,无中生有地一口吃成了个大胖子,从白来的真空里获得了一大堆白来的能量。这些能量一部分随着宇宙的膨胀和冷却转化成最基本的粒子,一部分把宇宙维持在足够高的温度上。大爆炸之后的千万分之一秒,这时候的宇宙还被辐射所主宰,在明亮的辐射照耀下,是一片沸腾的夸克的海洋。
这就是宇宙的“夸克期”。
夸克期
要展示这段时间的宇宙舞台,不得不首先隆重介绍一下夸克这位主要演员。它是物质的基本单位,也是全宇宙唯一能够参加所有四种基本相互作用——引力相互作用、强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用的基本粒子。夸克带的电荷数很古怪,有的带1/3个负电荷,有的带2/3个正电荷,必须互相搭配才能凑出整数的电荷数来。
夸克有6种不同的“味”,相当于6种不同形状的拼图,其中上夸克和下夸克是一对儿,顶夸克和底夸克是一对儿,粲夸克和奇异夸克是一对儿,每一对都是一个一1/3电荷搭配一个2/3电荷的组合,这是夸克家族的三个世代;每种“味”又分红绿蓝3种“色”,相当于每个不同形状的拼图都有3种不同颜色。所以算起来总共有三六一十八种不同的夸克,每种夸克对应一种反夸克,这就是浩浩荡荡三世同堂总共36种夸克。夸克和夸克之间通过胶子来相互作用,待会儿宇宙温度再下一个台阶的时候,胶子就会把夸克们黏在一起。不过现在所有的夸克和胶子还都自由自在,互不干涉。它们挨挨挤挤、摩肩擦踵,和另一大类粒子——非常轻的“轻子”一起,挤满了这段时间的宇宙。
夸克期的时间非常短,但是宇宙在这时候可是忙得不可开交:夸克、胶子和轻子都是最简单的基本粒子,它们不断地从充满辐射的虚空中成对诞生,又立刻成对湮灭,达到完美的热平衡。但是宇宙可不会满足于这种单纯的热闹和简单,当它的年龄达到1微秒时,又毅然决然地在温度的台阶上朝下迈出一步,蹦到了1013度这一级上。这一步迈出,就断送了夸克期的自由和热闹。有分教:
六味三色分正反,虚空生灭起重楼;
难逃束缚因强力,夸克从此不自由。
强子期
在温度下降的同时,粒子运动速度变慢,这回强相互作用可发挥作用啦,它利用胶子作为媒介,一把抓住了夸克,把它们三个一群两个一伙地黏了起来。这次的抓捕是一劳永逸的,夸克从此被判了无期徒刑,再也没能单独跑出来。
宇宙现在改变了审美品味,它再也不喜欢1/3这种电荷数目了,不凑出整数的电荷不许出来混。于是胶子们精心搭配,把夸克们的电荷数拼凑成1、0或者-1。由夸克组成的粒子都参加强相互作用,它们被统称为“强子”,宇宙从第一个微秒开始进入了强子期。
强子分为两大类,一类由三个夸克组成,分量可想而知是很重的,所以叫“重子”。另一类由一个夸克和一个不同味的反夸克(同味的碰到一起马上就会湮灭掉)组成,比重子轻,可是又比轻子重,介于两者之间,所以叫“介子”。介子是传递相互作用的粒子,重子是组成物质的粒子。重子家族有两位代表我们很熟悉,那就是质子和中子。
现在的宇宙舞台被强子和反强子霸占了,光子、轻子和反轻子也在舞台上晃悠,形成稠密的混合物。基本的戏码倒是没什么变化,还是粒子的产生和湮灭。但在强子期的舞台上,发生了一段对我们来说至关重要的剧情:宇宙这一次抛弃了正反粒子的对称,它玩了一个小小的把戏,让粒子的数量稍稍超过了反粒子的数量。
差别并不大,在强子期结束的时候(宇宙年龄100微秒),大约每10亿对正反粒子中会多出1个粒子。这个落单的粒子被保留下来,其余的10亿对正反粒子互相湮灭消失。没有人知道宇宙是怎么做到这一点的,不过正是多出来的这十亿分之一的物质,构成了我们现在这个物质宇宙。要是宇宙没能在强子期作弊成功,如今的宇宙恐怕就只能是一片荒芜静默,空荡荡没什么东西了。
轻子期
强子期之后的下一个台阶是轻子期,从温度达到1012度开始。我们最常听说的轻子是电子和中微子,这一段的主角也就是它们。如果说强子期的关键剧情是“捕获”,原本自由的夸克被“强力”这个警察抓起来关到强子里,那么轻子期的关键剧情就是“解放”,中微子从此逍遥法外,再也不跟别的粒子发生相互作用。
跟夸克分为三个世代一样,中微子也分为三代。三种中微子分别对应电子、μ子和τ子——我们不用管后两种陌生的粒子是干啥的,只要记住:电子中微子只跟电子相互作用、μ子中微子只跟μ子相互作用,τ子中微子呢,只跟τ子相互作用。而且中微子有个格外狡猾的特性,电子和正电子很容易相互湮灭,μ子和反μ子也一样,但中微子和反中微子之间却不能轻易湮灭。所以当中微子的“伴侣”消失之后,它自己却能天长地久地存活下来,以光速在宇宙中毫无阻碍地运动。
随着宇宙的不断冷却,正反μ子对和电子-正电子对的产生速度越来越跟不上湮灭的速度,只好从宇宙舞台上退场。它们这一退场不要紧,μ子中微子和电子中微子顿时也获得了解放。现在宇宙里再也没有什么东西会和中微子相互作用了,它成为了宇宙的背景,到处以光速打着酱油,甚至可以轻而易举地穿过地球而不碰到任何一个粒子,就这么大摇大摆地扬长而去。
轻子期的另一个重要事件,是质子和中子产生了明显的数量差异。这个差异其实在强子期就已经出现,因为中子比质子稍微重一点点,于是产生中子的难度也就比质子稍微大一点点。在强子期结束的时候,因为温度很高,质子和中子之间可以相互转化,差异还不明显。随着轻子期温度的降低,中子可以衰变为质子,质子却已经不可能和电子结合成为中子,于是中子越来越少,中子和质子的数量比逐渐从1:1变成了1:5。
与此同时,宇宙的温度又下降了一个台阶。在轻子期的末尾,宇宙年满1秒的时候,绝大多数电子都成对湮灭,把自己湮灭的能量全部传递给了光子。从此,宇宙告别了轻子期,进入了辐射期。
辐射期
辐射期持续的时间那就比前面所有时期都要长了,从宇宙年龄满1秒开始,一直持续了整整10万年。辐射期结束的标志就是辐射密度与物质密度相等,这时候宇宙的温度是几千度——说到这里需要额外声明一下,本文里出现的温度其实都是国际温标,说多少度的时候指的都是多少开尔文。用国际温标做单位的最大好处是套公式不用换算,宇宙里辐射的密度和温度的4次方成正比,物质的密度和温度的3次方成正比,所以随着温度的下降,辐射密度下降得更快,在宇宙年满10万年的时候两者达到相同水平,在那之后,就是物质占据主导的时期了。
在辐射期的初期,宇宙中发生了一件惊天动地的大事。短短200秒间,宇宙中有大约四分之一的自由质子和电子被转变成了氦原子核。宇宙中有这么多恒星,所有的恒星加起来花了100亿年的时间才把宇宙中2%的氢变成氦,而宇宙早期的这次核合成,却把10倍于此的氢在200秒内燃烧成了氦。
这次巨大的席卷整个宇宙的核合成事件被称为“太初核合成”,它意味着宇宙中最早的元素划分。上演太初核合成的那一级温度台阶是10亿开,这是氘核刚好能够保持稳定的温度。宇宙在年满100秒的时刻踏足这一级台阶,这段时间的舞台,是质子和中子的天下。
书中暗表,在宇宙温度降到10亿开的时候,质子和中子的数量比早就又已经发生变化,如今是每7个质子才对应1个中子。由此算来,每16个核子(质子和中子合称为核子)中会产生1个氦核和12个氢核,相当于所有物质中的四分之一转变成氦。至今,宇宙中的氦也没能比它刚诞生300秒的那时候增加多少。氢和氦的丰度之比正是支持大爆炸假说的最初的几根支柱之一。其他更重的元素,除了极少量的锂之外,都要等最初的恒星点燃之后,才能从恒星中诞生。这正是:
太初有核分氢氦,生灭诸子论重轻。
辐射君临十万载,元素还须待恒星。
自止之后,宇宙平平无奇直至芳龄10万岁,辐射密度与物质密度旗鼓相当之时。到那时,宇宙又换得一副新面貌,你我更当刮目相看。欲知后事如何,且听下回分解。