宇宙大爆炸学发生了什么？07

本系列文章预计会有10个章节，这套文献将系统的讲述物理学本身，今天是第二季第7篇。

物理学的发展总是在出现问题，解决问题，就像当年牛顿为了解决曲面面积而创立了微积分一样。

科学的发展，其实就是发现问题解决问题，附带发明了很多伟大的科学发现。

我觉得无论是科学还是工程学都是一样，人们都在不断优化自己的黑箱，让上层的黑箱变得越来越简单。

互联网行业的朋友说，前端技术的发展真是太快了，学习的节奏根本跟不上。我认为，第一，这门技术还存在缺陷，因为还未优化到极致；第二，底层知识的认知是很有必要的，根基不牢固，学啥都不稳固。这方面的知识到时我们在计算机专栏再聊。

就如，阿瑟在《技术的本质》里谈到，其实技术本来就有了，所谓的发明无非就是对现有现象的编程。这句话，受益匪浅！

好，进入主题。

宇宙大爆炸学说起源于爱因斯坦广义相对论（去掉宇宙常数）和哈勃的星系光谱的红移理论。这部分上一讲已经阐述，可以回看。

既然宇宙是膨胀的，那么是不是它是什么时候膨胀的呢？

提出宇宙大爆炸学说的勒迈特认为，按照广义相对论最纯粹的形式意味着宇宙正在膨胀，如果宇宙一直膨胀到今天，那么它在过去一定有一个开始。就像一天的开始是不是应该有一个0：00。

也就是说，按勒迈特的说法，存在“一个没有昨天的一天”。大爆炸之前的世界是什么样子？用中国道家创始人老子的话说，就是“有，生于无”。

如果宇宙真是从一个大爆炸开始生成，那么只要我们倒推得足够远，宇宙就会变成一个奇点，一切空间和时间都是从这个奇点开始的。就是说，从时间上倒推到过去，大爆炸估计发生在130多亿年前。

大爆炸创造了宇宙，也就等于创造了空间和时间。空间和时间都不能存在于奇点之前。

时间也是从大爆炸之时起始的。大爆炸的确发生过，但科学家至今仍想不明白它为何爆炸，是什么产生爆炸，它是如何爆炸的。

我们只能确定一切都是在瞬间爆炸生成的，这就是最初第一秒的起点，时间完全归零。理论上，宇宙诞生的刹那，即“大爆炸”时，一切开始于10-43秒，即普朗克时间。

天体物理学家已经整理出了一套关于大爆炸后的异常详尽的知识体系。根据宇宙的大爆炸理论，科学家们通过计算把宇宙创生的“一刹那”进一步分解，让我们看到了宇宙创生时刻的景象。

在宇宙诞生的最初三分钟，四种自然力——引力、电磁力、强核力、弱核力——被合并成单一的超力。

好吧，一起看看万老师是怎么描述的

以下物理学家兼专栏作者万维钢的描述

《精英日课》

从10^(-43)秒开始，引力就脱离出来，单独起作用了。那时候宇宙还是个直径为10^(-35)米的一个小点，但温度无比的高。

到10^(-35)秒的时候，强相互作用和“弱电相互作用”分开了。到稍微更晚的时候，弱相互作用和电磁相互作用分开了。

到一万亿分之一秒的时候，宇宙里有了粒子 —— 夸克和轻子已经出现了。电子就是我们最熟悉的“轻子”。

这时候宇宙里有夸克和电子，还有反夸克和反电子。2012年的时候，物理学家知道，在当时那个高温条件下，夸克和电子都可以自由行动，宇宙就好像是一锅夸克轻子粥。

这锅粥里的主要活动是正反物质的产生和湮灭。夸克和反夸克，电子和反电子一旦相遇就会湮灭并且释放两个极高能量的光子，而在这个时候宇宙的高温之下，光子又会再产生正反夸克和电子。

一个正电子刚刚产生之后，又马上跟另外一个电子相遇，又湮灭成光。 

这是一个非常有意思的机制。如果正反物质总是成对产生、成对消失，那为什么我们现在的宇宙里都是正物质，没有反物质呢？

出于某种还不为物理学家完全理解的原因，每十亿对夸克和反夸克湮灭，会留下一个正夸克作为幸存者 —— 我们今天的世界，都是这样的幸存者组成的。

这些幸存者实在太幸运了，如果每个人都是早期宇宙中的一个正夸克，这就等于说今天活着的全体中国人中，只有一个人能幸存！

到百万分之一秒的时候，整个宇宙已经膨胀到像太阳系这么大了，温度进一步下降，  夸克们会被三个一组束缚在一起，形成“重子” —— 也就是质子和中子。

但与此同时，质子和反质子，中子和反中子之间也要不停地发生碰撞湮灭变成光子，光子再生成正和反的质子和中子。正物质的质子和中子的幸存率，也是十亿分之一。

到一秒的时候，宇宙已经膨胀到几光年这么大了。更低的温度使得质子和中子被结合在一起形成原子核，其中90%是氢原子核，剩下的10%是氦原子核，其他元素极少，都可以忽略不计。

这个时候，光子温度只够它产生正电子和反电子，但是电子和反电子之间也在不停地发生湮灭 —— 同样的道理，因为十亿分之一的幸存率，最后剩下的全是电子。

等到宇宙年龄是三十八万年的时候，温度低到让所有电子都被原子核捕获，变成氢原子和氦原子。

到十亿年的时候，这些原子在引力的作用下结合在一起，就会变成恒星，然后这些恒星又会组成星系。那个时候，我们已经有了一千亿个星系，每个星系里面会有几千亿个恒星。

其中有些比太阳大十倍的恒星，在高温高压之下，可以生产一些更重的元素，比如氧和碳之类。这些恒星最后会爆炸，重元素被传播出来，散布在整个宇宙之中。正因为这样，今天我们才会有这些重元素，否则宇宙中就几乎全是氢和氦。

又过了九十亿年，在宇宙中某个不起眼的地方产生了一个不起眼的恒星，这个恒星就是太阳。太阳所处的位置正好有很多重元素构成的气体，这些气体在引力作用下慢慢凝聚在一起，形成了行星。

按照万老师讲述就是，随着时间的转移，宇宙不断膨胀，而在它膨胀时，超力分成了引力与大统一力。

十维宇宙分裂成一个四维宇宙和一个六维宇宙。之后，大一统作用力崩解；电弱对称崩解，夸克开始凝聚，中子与质子出现，并凝聚成稳定的原子核；

大爆炸发生1亿年后，第一个星系诞生；

4亿年后，第一批恒星出现；

87亿年后，太阳系诞生；

又经过数十亿年，地球上出现了第一个生命。

根据“大爆炸”理论框架预言大爆炸产生的余晖今天还存在，只不过它产生的波的波长已经被宇宙的膨胀转移到了微波波段上。

宇宙背景辐射是来自宇宙空间背景上的微波背景辐射，频率属于微波范围。

宇宙微波背景辐射产生于大爆炸后的三十万年。大爆炸宇宙学说认为，发生大爆炸时，宇宙的温度是极高的，之后慢慢降温，到现在（约137亿年后）大约还残留着微量的热辐射，应该能被探测到。

1965年，美国物理学家彭齐亚斯和威尔逊宣布他们探测到了这种辐射，进一步坐实了宇宙大爆炸模型的可靠性。两位物理学家因此成就获得诺贝尔物理学奖，标志着大爆炸模型成为主流的宇宙科学范式。

不得不说，宇宙是幸运的，生命的存在是万幸中的万幸。

宇宙总会让我们理解到谦卑！

所以，当你觉得心情低落的时候，不妨抬头看遥远的星空，你会发现自身的欲望于期盼在宇宙面前一文不值。

好，下一讲我们会慢慢进入混沌时代，及粒子时代，再到量子力学。