宇宙的开端

《创世纪》记载着上帝创造天地的故事。“1:3神说,要有光,就有了光。”结合天文物理学最新研究,上帝眼中的“就”,对于我们这些凡人,是多少时间?是立刻?是转头瞬间?还是一根烟的功夫?都错了。答案是38万年。

38万年?对!让我们把时钟回拨至137亿年之前,看看这“就”如何和38万年划上等号的。

1、奇点。宇宙现在不断加速膨胀,这个无限空间又是无限时间的宇宙从哪里来?就是从奇点来的,宇宙的初始点就是奇点。奇点是一种没有固定形状的、没有体积的不可思议的存在。在那个点,没有时间没有空间,质量无限大。让科学家挠头无奈的是,在奇点任何物理学定律都失效,无论是量子力学还是广义相对论。此时,温度也是无限高。

2、普朗克时间,只能想象。奇点开始的大爆炸,到一个时间点之后,科学家们才有了自信,那个时间点就是普朗克时间——10^-43秒。这个时间已是小的难以想象,意思是时间量子的最小间隔(量子以光速运动的最小距离,没有比量子更小的基本单位,也没有比光速更快的速度,因此没有比普朗克时间更小的时间,也没有比普朗克长度更短的距离)。普朗克时间之后,量子力学开始起支配作用了。此时宇宙的温度为10^+30K(开尔文),温度高的也是难以想象。

3、10^-43秒至秒10^-6,物理四力。10^-43秒至秒10^-6之间,宇宙在暴涨,此时的宇宙是一锅沸腾的粒子汤——富含着夸克、轻子、玻色子以及它们的反物质同胞。这时间段内温度虽随着暴涨在急速下降,但依然达到万万亿K,这种温度让这些粒子无法结合在一起,粒子们都是孤身游荡、相互乱撞。在这个时间段内,我们最熟悉的引力第一个挣脱了原本统一的自然力,变成了一种独立的力;在10^-35秒时,电弱力和强核力出现;10^-12秒时,电弱力分解为电磁力和弱核力。哈哈,宇宙的四种基本力齐了,这些基本力塑造了甚至可以说说掌控了我们的现在。到10^-6秒,温度下降至10^+12K。

4、10^-6秒至1秒,正反强子湮灭。这段时间,宇宙继续迅速暴涨,温度快速下降至10^+9K,这个万亿级的温度已经无法操控夸克了,所有的夸克很快都抢到了舞伴,组成了重粒子家族,称为强子,夸克到强子的转变产生了质子和中子。在此时间段内的这锅汤里,发生了正反物质的湮灭:强子和反强子(反物质)相碰立即湮灭,有趣的是,由于目前尚不清楚的原因,物质略微超过反物质,对应每10亿个反强子,有(10亿+1)个强子,因此,正反物质湮灭的结果是:1/10亿幸存的强子,最终成为了星系、恒星、行星和我们人类。如果当时正反物质完全相等,那么我们将不会存在。

5、1秒至2分钟,正反电子湮灭。此时宇宙温度从10^+9K下降至10^+6K,滚烫的宇宙依然能够烹饪电子。刚才(这个刚也是够短的)正反强子湮灭及遇到的情况,现在轮到正反电子了。在10亿次里只有一个电子出现——物质和反物质自杀盟约遗留的孤独的幸存者。与此同时,质子和其他质子及中子发生熔合,形成原子核。到2分钟时,宇宙里诞生的原子核90%是氢核,10%是氦核,其他的物质可以忽略不计。

6、2分钟到38万年,等待可见光。在这漫长(只是对我们来说很漫长)的时间里,氢核、氦核、电子、光子组成的粒子汤发生了许多变化,在这依然沸腾的汤里,电子自由的在光子之间游荡,来回撞击它们。宇宙的温度逐步降低到3000K以下,这些自由就突然停止了,原子核捕获了电子,形成了原子。光子等了38万年,终于没有什么东西可以阻挡它们了,它们光芒万丈,开始随着宇宙膨胀而自由翱翔——可见光终于不受束缚的撒腿狂奔,充斥着整个宇宙。

7、38万年至今,可见光变为微波。随着宇宙膨胀,这些光子的能量变得越来越低,到今天它们已经变成了微波,遍布于整个宇宙。我们的肉眼是看不见微波的,因此在我们眼里,宇宙里除了点点星辰,绝大部分是漆黑一片。微波可以用专门的紧密仪器去测量,2003年,科学家们绘制了“宇宙微波背景辐射图”,图像显示了大爆炸38万年之后的宇宙景象。注意时间点,是38万年之后的宇宙,而不是大爆炸至今。

回到开头,上帝创造天地,说要有光,到真正出现我们可见的光,实际是过了38万年。当然,当时开辟宇宙时上帝见到的光,到现在已经变为微波,我们只能用专门仪器去测量和感知了。

如果觉得难理解,就看下图。下图是宇宙诞生的简易图,横轴是时间,纵轴是温度。

由此想到:

1、我们是多么幸运。我们都是1/10亿的幸存粒子组成的,我们的周边任何物质都是当时1/10亿的幸存粒子组成的,感叹之余,我们是否应珍惜当下,珍惜所拥有的,感受一切的美好?

2、我们是多么无知。虽然宇宙大爆炸理论是通过量子力学和广义相对论等论证和推演出来的,好像已经非常厉害,但面对浩瀚的宇宙,我们是否意识到自身的渺小?面对普朗克时间,我们是否意识到还有无数的无知领域需要我们去探索?

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