宇宙 宇宙的一切物質最初是如何產生的?答案顛覆認知

物質的最小單位
要了解這個問題,我們需要先了解一下,物質到底是如何構成的?
上初中的時候,老師會說,物質是由分子構成的,分子則是由原子構成的。原子內有電子和原子核,而原子核還能繼續再分構成質子和中子。甚至上到高中也就大概講到這么多。實際上,質子和中子也是可以再分得,比質子還要小的是夸克,三個夸克可以構成一個質子。不過,電子其實沒辦法再分了,因此,電子和夸克是基本粒子。


宇宙 宇宙的一切物質最初是如何產生的?答案顛覆認知
文章插圖

所以,當我們問宇宙中的物質從哪里來,實際上,我們可以把這個問題轉化成構成物質的粒子是從哪里來,也就是夸克,電子,中子,質子這些粒子是如何來的。其實這些物質粒子都是形成于宇宙誕生之初的。那具體咋回事呢?物質粒子的形成
根據普朗克衛星最新的觀測數據,我們知道宇宙誕生于138億年前,起源于一次大爆炸。大爆炸之后,宇宙的空間劇烈的膨脹,溫度開始降低。


宇宙 宇宙的一切物質最初是如何產生的?答案顛覆認知
文章插圖

而早期的宇宙其實類似于一鍋能量湯,內部充滿了能量,而夸克,中微子這類的粒子也就是在這個時候形成的,但它們的形成機制目前我們還不得而知。那電子以及其他粒子呢?我們都知道,粒子都有自己的反粒子,質子的反粒子就是反質子,電子的反粒子就是正電子。如果一個電子和一個正電子對撞,那就會發生湮滅,原本一對電子的質量等價于相對應的能量,最終以能量的形式釋放出來。


宇宙 宇宙的一切物質最初是如何產生的?答案顛覆認知
文章插圖

(這里可以利用愛因斯坦的質能方程E=mc^2進行等價。)

宇宙 宇宙的一切物質最初是如何產生的?答案顛覆認知
文章插圖

而光子的反粒子就是它本身,如果一對光子對撞,在一般的條件下根本不會發生什么。但如果一堆光子所具有的能量要大于一對正電子和電子所具有的的能量。(這里依舊是利用質能等價進行換算得到來比較。)只不過,這種高能的光子需要非常高的環境溫度,就拿一對光子對撞產生一對電子來說,至少需要在60億度左右才可以實現。而其他粒子的形成也類似于這樣,只不過所需要的溫度條件不太一樣。

宇宙 宇宙的一切物質最初是如何產生的?答案顛覆認知
文章插圖

不過,這里也有一個問題,那就是光子對撞之后產生的是一對正反粒子。而每10億對質子和反質子還會對撞,發生湮滅,同時釋放出大量的能量,整個過程循環往復,唯一不同的就是,每10億對還會留下一個質子(正物質),同樣的,每十億對正電子和電子的湮滅,還會留下一個電子,至于為什么會這樣,現在還沒有搞清楚。也正因為這個原因,我們現在的宇宙才是一個正物質主導的宇宙,如果沒有10億分之一的幸存者,可能宇宙中也就不會有物質粒子,也就不會有物質了。說句題外話,如今宇宙中的物質粒子,都是10億分之一的幸存者,而物質由粒子構成,也就是說,宇宙中的物質其實是10億分之一的幸存者集合。
當這些物質粒子形成之后,宇宙由于還在繼續膨脹,因此溫度還在逐漸下降,此時的宇宙其實像一鍋粒子湯,其中充滿了各種粒子,比如:電子,光子,原子核等等。但是還沒有原子結構。


宇宙 宇宙的一切物質最初是如何產生的?答案顛覆認知
文章插圖

后來,隨著溫度的繼續降低,大概在宇宙大爆炸之后的38萬年,也就是宇宙38萬歲時,宇宙的溫度降到了3000度左右,這之后原子核俘獲了電子,形成了原子結構,而光子也擺脫了束縛,開始在宇宙中傳播,這也就是宇宙大爆炸的余熱,被我們稱為宇宙微波背景輻射,目前我們還可以通過探測器觀測到。【 宇宙|宇宙的一切物質最初是如何產生的?答案顛覆認知

宇宙 宇宙的一切物質最初是如何產生的?答案顛覆認知
文章插圖

也就是說,從這個時候,宇宙中開始有了完整的原子結構,而原子后來構成了各類的天體。不過,此時的原子主要是氫原子和氦原子,原子序更大的元素原子(≤鐵元素原子序數)其實是在恒星內核當中通過核聚變反應形成的,而大于鐵元素原子序數的元素是通過超新星爆炸和中子星合并而形成的。而各種元素的原子就構成了如今地球上各種不同的物質。

推薦閱讀