“大爆炸”是一个时间时刻,而不是空间中的一个点

(图片来源:科学照片库/盖蒂)

一开始,什么都没有。。。

然后,大约137亿年前,宇宙形成了。

我们仍然不知道发生这种情况的确切条件,以及之前是否有时间。但是,利用望远镜的观测和粒子物理学模型,研究人员已经能够拼凑出宇宙中重大事件的粗略时间表。在这里,我们来看看我们宇宙的一些最重要的历史时刻,从它的婴儿期到最终的死亡。

大爆炸

这一切都始于大爆炸,大爆炸“是一个时间时刻,而不是空间中的一个点,”加州理工学院理论物理学家肖恩卡罗尔告诉Live Science。

具体来说,这是时间本身开始的那一刻,也是所有后续瞬间被计算出来的那一刻。尽管有众所周知的绰号,但大爆炸并不是真正的爆炸,而是宇宙非常热和密集的时期,空间开始同时向各个方向膨胀。虽然大爆炸的模型指出宇宙是一个无限小的无限密度点,但这只是一种简单的说法,我们不太清楚当时发生了什么。数学无穷大在物理方程中没有意义,所以大爆炸实际上是我们目前对宇宙的理解崩溃的点。

宇宙暴胀时代

(图片来源:欧空局/普朗克合作)

宇宙的下一个诀窍是变得非常大,非常快。在大爆炸后的前0.0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001秒,这个被称为暴胀的时间仍然是假设的,但宇宙学家喜欢这个想法,因为它解释了为什么尽管相隔很远的空间区域看起来如此相似。早在2014年,一个团队就认为他们已经从早期宇宙的光中发现了这种膨胀的信号。但后来的结果被证明是更平凡的东西:干扰星际尘埃。

夸克-胶子等离子体

在时间开始后的几毫秒,早期的宇宙真的很热。我们谈论的是7万亿到10万亿华氏度(4万亿和6万亿摄氏度)之间的高温。在这样的温度下,称为夸克的基本粒子,通常紧紧地结合在质子和中子内部,自由地四处游荡。胶子携带着一种称为强力的基本力,与这些夸克混合在渗透宇宙的汤状原始流体中。

研究人员已经设法在地球上的粒子加速器中创造了类似的条件。但是,这种难以实现的状态只持续了几分之一秒,无论是在地球原子粉碎器中还是在早期宇宙中。

宇宙早期

(图片来源:盖蒂)

在这个阶段粒子有很多行动,大约在大爆炸后的千分之一秒开始。随着宇宙的膨胀,它冷却了,很快条件就足够好,夸克聚集成质子和中子。大爆炸后一秒钟,宇宙的密度下降到足以使中微子,最轻和相互作用最少的基本粒子, 可以向前飞翔而不会击中任何东西,从而产生所谓的宇宙中微子背景,科学家们尚未检测到。

第一个原子

(图片来源:盖蒂)

在宇宙生命的前3分钟,质子和中子融合在一起,形成了一种称为氘的氢同位素,以及氦和少量的一个最轻的元素锂。但一旦温度下降,这个过程就停止了。

最后,在大爆炸后38万年,此时的宇宙足够凉爽,氢和氦可以与自由电子结合,产生第一个中性原子。以前进入电子的光子现在可以不受干扰地移动,从而产生宇宙微波背景(CMB),这是这个时代的遗物,于1965年首次被发现。

宇宙黑暗时代

在很长一段时间里,宇宙中没有任何东西发出光。这一时期持续了大约1亿年,被称为宇宙黑暗时代。这个时代仍然非常难以研究,因为天文学家对宇宙的了解几乎完全来自星光。没有任何可以发光的星体,很难知道发生了什么。

第一颗星星

(图片来源:双子座天文台/AURA/NSF/马蒂亚·里布拉托,太空望远镜科学研究所)

到大爆炸后大约1.8亿年,氢和氦开始坍缩成大球体,在其核心中产生地狱般的温度,这些温度成功点亮第一批恒星。

宇宙进入了一个被称为宇宙黎明或再电离的时期,因为早期恒星和星系辐射的热光子将星际空间中的中性氢原子分解成质子和电子,这一过程被称为电离。至于电离究竟持续了多长时间是很难说的。因为它发生得太早了,它的信号被后来的气体和尘埃所掩盖,所以最好的科学家可以说,它在大爆炸后大约5亿年就结束了。

大规模结构

(图片来源:美国宇航局)

这就是宇宙开始运行的地方,或者至少是我们今天所知道的熟悉的运行。小的早期星系开始合并成更大的星系,在大爆炸后大约10亿年,超大质量黑洞在其中心形成。明亮的类星体,产生强烈的光信标,从120亿光年远的地方就可以看到。

宇宙的中年

(图片来源:欧空局/健康保险协会和友好金融机构财团)

在接下来的几十亿年里,宇宙继续演化。来自原始宇宙的较高密度地点在引力作用下将物质吸引到自身。它们慢慢地生长成星系团和长长的气体和尘埃链,产生了一个美丽的丝状宇宙网,今天也可以看到。

太阳系的诞生

(图片来源:美国宇航局/喷气推进实验室)

大约45亿年前,在一个特定的星系中,一团气体坍缩成黄色的恒星,周围有一个环系统。这些环合并成八颗行星,加上各种彗星,小行星,矮行星卫星,形成了一个我们熟悉的恒星系统。距离中心恒星的第三颗行星在这个过程之后保留了大量的水,也可能是彗星后来提供了大量的冰和水。

地球与人类

(图片来源:盖蒂)

在第三个水的世界里,在38亿到35亿年前(取决于你问谁),微小的,简单的微生物眨眼就出现了。这些生命形式出现并进化成奇妙的海怪和巨大的食叶恐龙。最后,大约在20万年前,出现了直立行走的生物,它们能够惊叹于我们这个神秘的宇宙,并发现整个宇宙是如何形成的。

结束了?或者没有?

(图片来源:快门)

当然,这并不是事情的结束。

物理学家仍然不太清楚宇宙将会发生什么。这取决于暗能量的细节,暗能量是一种神秘力量,其特性还没有得到很好的测量。在一个可能的未来,宇宙将继续永远膨胀,足够长时间,所有星系中的所有恒星将耗尽燃料,甚至黑洞也将蒸发成虚无,留下一个死的宇宙,充满惰性的能量。或者,引力最终会克服暗能量的扩张力,将所有物质拉回一起,形成一种被称为大收缩的反向大爆炸。或者,暗能量可以加速一切与其他一切越来越远的距离,形成所谓的大撕裂,在这个过程中,宇宙真的会撕裂自己。