现代物理学习小记(3)

--大宗师

4、宇宙大爆炸理论

宇宙起源不仅是物质、能量的起源，同时也是时间和空间的起源，自宇宙创生始，才有了物质、能量、时间和空间。宇宙起源于一个密度和温度都无限高的奇点，这个奇点或许是由于量子力学不确定性原理所造成的真空中无中生有的能量的涨落而产生的，它在极早期发生了非常快速的膨胀和冷却，暴胀结束后，生成了所有的基本粒子。此时的宇宙仍然非常炽热，粒子－反粒子对在此期间也通过碰撞不断地创生和湮灭，从而宇宙中粒子和反粒子的数量是相等的。直到其后的某个时刻，一种未知的违反重子数守恒的反应过程出现，它使夸克和轻子的数量略微超过了反夸克和反轻子的数量，这一机制导致了当今宇宙中物质相对于反物质的主导地位。

随着宇宙的膨胀速度和温度进一步的降低，粒子所具有的能量普遍开始逐渐下降，夸克和胶子结合形成了诸如质子和中子的重子族，少数质子和所有中子结合，组成氘和氦的原子核，这个过程叫做太初核合成。而大多数质子没有与中子结合，形成了氢的原子核。虽然宇宙在大尺度上物质几乎均一分布，但仍存在某些密度稍大的区域，因而在此后相当长的一段时间内这些区域内的物质通过引力作用吸引附近的物质，从而变得密度更大，并形成了气体云，引力的加大及量子隧穿最终点燃了氢核聚变，恒星、星系等其他在今天的天文学上可观测的结构产生了。

恒星内的热核反应炉，合成了元素周期表里面的各种化学元素。恒星晚年由于内部氢大量消耗而不稳定膨胀成为红巨星，其核心会合成碳、氮、氧等元素。其中质量不太大的恒星随后由于引力坍缩而成为密度较大的白矮星，其核心会合成更重的元素，直至铁元素，铁元素是白矮星能够合成的最重的元素。而质量较大的恒星则会产生超新星爆发，最终坍缩成密度极高的中子星或黑洞。比铁元素更重的元素，恒星不再能够合成出来，而是通过中子俘获产生，这与中子星的碰撞有关。这些超新星爆炸、中子星碰撞抛出的物质，及死亡的恒星的物质，最终又成为新的恒星及其行星再生的原料，我们的太阳系就是从这些恒星的尸体、碎片、尘埃中再生的。

自宇宙大爆炸以来，宇宙一直在加速膨胀，宇宙在遥远的未来，或许宇宙的膨胀率将无限制地增加，重力约束下的系统，像是星系团、星系，都会被撕裂。最终，将克服电磁力，使原子和分子都会一起迅速扩大。最后将撕裂原子核，而我们所知道的宇宙也将以一种不寻常的引力奇点结束。届时，宇宙将膨胀至无穷大，因此任何和所有将物体聚集在一起（无论如何接近）的力量总合（无论质量有多大）都无法克服扩张的膨胀率，任何物体都将完全被撕裂。又或许现有恒星的核燃料都将消耗殆尽，恒星停止创建，宇宙将是一片漆黑。在比这个时代之后更长的时间尺度上，星系会像恒星残骸的组成一样，蒸发逃逸入太空，黑洞也会通过霍金辐射蒸发。但在一切归于寂静，归于真空后，会不会另一个宇宙又在真空中无中生有的通过大爆炸重启呢？