現代物理學習小記(3)

--大宗師

4、宇宙大爆炸理論

宇宙起源不僅是物質、能量的起源，同時也是時間和空間的起源，自宇宙創生始，才有了物質、能量、時間和空間。宇宙起源於一個密度和溫度都無限高的奇點，這個奇點或許是由於量子力學不確定性原理所造成的真空中無中生有的能量的漲落而產生的，它在極早期發生了非常快速的膨脹和冷卻，暴脹結束後，生成了所有的基本粒子。此時的宇宙仍然非常熾熱，粒子－反粒子對在此期間也通過碰撞不斷地創生和湮滅，從而宇宙中粒子和反粒子的數量是相等的。直到其後的某個時刻，一種未知的違反重子數守恆的反應過程出現，它使夸克和輕子的數量略微超過了反夸克和反輕子的數量，這一機制導致了當今宇宙中物質相對於反物質的主導地位。

隨着宇宙的膨脹速度和溫度進一步的降低，粒子所具有的能量普遍開始逐漸下降，夸克和膠子結合形成了諸如質子和中子的重子族，少數質子和所有中子結合，組成氘和氦的原子核，這個過程叫做太初核合成。而大多數質子沒有與中子結合，形成了氫的原子核。雖然宇宙在大尺度上物質幾乎均一分布，但仍存在某些密度稍大的區域，因而在此後相當長的一段時間內這些區域內的物質通過引力作用吸引附近的物質，從而變得密度更大，並形成了氣體雲，引力的加大及量子隧穿最終點燃了氫核聚變，恆星、星系等其他在今天的天文學上可觀測的結構產生了。

恆星內的熱核反應爐，合成了元素周期表裡面的各種化學元素。恆星晚年由於內部氫大量消耗而不穩定膨脹成為紅巨星，其核心會合成碳、氮、氧等元素。其中質量不太大的恆星隨後由於引力坍縮而成為密度較大的白矮星，其核心會合成更重的元素，直至鐵元素，鐵元素是白矮星能夠合成的最重的元素。而質量較大的恆星則會產生超新星爆發，最終坍縮成密度極高的中子星或黑洞。比鐵元素更重的元素，恆星不再能夠合成出來，而是通過中子俘獲產生，這與中子星的碰撞有關。這些超新星爆炸、中子星碰撞拋出的物質，及死亡的恆星的物質，最終又成為新的恆星及其行星再生的原料，我們的太陽系就是從這些恆星的屍體、碎片、塵埃中再生的。

自宇宙大爆炸以來，宇宙一直在加速膨脹，宇宙在遙遠的未來，或許宇宙的膨脹率將無限制地增加，重力約束下的系統，像是星系團、星系，都會被撕裂。最終，將克服電磁力，使原子和分子都會一起迅速擴大。最後將撕裂原子核，而我們所知道的宇宙也將以一種不尋常的引力奇點結束。屆時，宇宙將膨脹至無窮大，因此任何和所有將物體聚集在一起（無論如何接近）的力量總合（無論質量有多大）都無法克服擴張的膨脹率，任何物體都將完全被撕裂。又或許現有恆星的核燃料都將消耗殆盡，恆星停止創建，宇宙將是一片漆黑。在比這個時代之後更長的時間尺度上，星系會像恆星殘骸的組成一樣，蒸發逃逸入太空，黑洞也會通過霍金輻射蒸發。但在一切歸於寂靜，歸於真空後，會不會另一個宇宙又在真空中無中生有的通過大爆炸重啟呢？