书城科普读物南极北极哪里冷
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第2章 宇宙大爆炸时的初始温度

如果仅凭想象,可能谁也想不出1032℃这样高的温度,也无法相信宇宙中会存在着这样高的温度。科学知识有时候会让人觉得不可思议。

科学家们根据各种天文观测结果以及利用超级粒子加速器和对撞机所进行的“宇宙之初”模拟实验,最终提出并反复验证了一种描绘宇宙起源和演化史的“大爆炸”理论,能够让我们透过漫长的宇宙发展历程,回溯到宇宙“婴儿时代”的场景。

根据这一理论,我们现在所看到的似乎无限宽广辽阔的宇宙全部来自于一个比针尖还要小的初始原点,在大约137亿年前,一股无比巨大的能量导致发生了一场人们难以想象的“大爆炸”,瞬时温度达到约1亿亿亿亿℃(即1032℃)。巨大能量的一部分转变为原始物质,飞向四面八方,促使宇宙发生急速暴涨,引起强烈的引力波。由于能量非常高,这时3种基本相互作用还没有区分,产生的粒子也没有区别。

在“大爆炸”约10-34秒后,出现了夸克与反夸克、电子和正电子等数量相等的正物质与反物质,还出现了参与物质粒子间强相互作用的胶子等作用力粒子,可能还有一种“单磁极”粒子,由它们产生了弱相互作用和电磁相互作用。这些粒子混合在一起,形成类似液体状态的炽热而稠密的等离子体“汤”。

“大爆炸”约10-10秒后,宇宙温度降低到约1万亿℃以下,此时出现了W子和Z子等专门传递弱相互作用的作用力粒子。正反物质大量湮灭,产生光子、中微子和反中微子等,但由于某种原因,导致正物质数量多于反物质,夸克之间开始通过胶子结合成质子和中子。

当“大爆炸”约1分钟后,温度降低到100亿℃,质子和中子开始结合成原子核。由于宇宙温度降低,各种粒子的运动速度减慢,彼此碰撞时不再相互转化,此后宇宙中各种粒子的数量比例基本保持不变。

大约经过38万年,宇宙的温度降到约2300℃。这时电子和原子核结合成为原子,光子可以几乎不受阻碍地在宇宙空间自由穿行,电磁辐射也可相对自由地传播,宇宙因此而脱离了混沌状态,变得透明,出现了最早的电磁辐射。

随着时间的流逝,当宇宙的温度降到几百摄氏度时,宇宙间主要是气态物质。在几乎是均匀分布的物质空间中,密度稍微大一点儿的区域通过引力作用吸引附近的物质,从而变得密度更大,并逐渐凝聚成气体云。它们在引力的作用下逐渐发展成星云,再进一步形成星系、星团、恒星、行星……直到我们今天看到的星空世界。宇宙现在的平均温度已降到零下270.15℃。但实际上各处的温度差异很大,一些巨大恒星的表面温度达数万摄氏度,星系核等处的温度更高。