11.8: 早期宇宙的演变

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学习目标

在本节结束时，您将能够：

用四种基本力量描述早期宇宙的演变
使用引力透镜的概念来解释天文现象
提供宇宙背景辐射方面的宇宙大爆炸证据
区分暗物质和暗能量

在上一节中，我们讨论了宇宙的结构和动力学。特别是，宇宙似乎在膨胀甚至加速。但是刚开始的宇宙是什么样的呢？在本节中，我们将讨论科学家能够收集到的关于早期宇宙及其演变到现在的证据。

早期宇宙

在短暂的宇宙通货膨胀之前，宇宙学家认为宇宙中的所有物质都被挤进了比原子小得多的空间。宇宙学家进一步认为，宇宙非常密集和炎热，粒子之间的相互作用受单一力控制。换句话说，四种基本力（强核、电磁、弱核和引力）在这些能量下合而为一（图 $\PageIndex{1}$ ）。这种 “统一” 如何以及为什么在较低的能量下分解是物理学中尚未解决的重要问题。

该图显示了时间表。在功率减去宇宙大爆炸后的 43 秒时，这条线分成两部分。其中一个分支是引力。另一个向前移动，在 10 点时进一步分成两部分，功率减去 35 秒。从这里开始，一个分支就是强大的核力量。另一个在功率减去 12 秒时分成两半。这两个分支被标记为电磁力和弱核力。第一次分裂时的粒子能量和宇宙温度分别为：10 到 19 GeV 的幂和 32 K 的幂次方 10。在第二次拆分时，它们是：10 的功率分别为 14 GeV 和 10 到 27 K 的功率。在第三次分裂中，它们分别为 100 GeV 和 10 到 15 K 的功率。所有四条线一直持续到达到以下值：5 到 10 为功率 17 秒，10 为功率减去 4 eV 和 3 K — 图 $\PageIndex{1}$ ：早期宇宙中四种基本力量的分离。

早期宇宙的科学模型具有很高的推测性。 $\PageIndex{2}$ 该图显示了一个可能的事件时间表的草图。

该图显示了时间表。通货膨胀从功率减去宇宙大爆炸后的43秒开始，温度为10至32K的功率，10的能量为19 GeV。通货膨胀以功率减去 35 秒 10 结束，功率减去 27 K 为 10，功率为 15 GeV 10。其次是轻子时代：夸克、μ子、taus、gluons 和光子。质子以 10 的功率减去 6 秒、10 的功率减去 13 K 和 0.1 GeV 的功率形成。其次是核子的时代：夸克、质子、μ子、中子、taus、电子、介子、光子。核聚变从 225 秒开始，10 到 11 K 的功率和 10 的功率减去 4 GeV。其次是核合成时代：质子、氦气、电子、光子。核聚变结束于 1000 年，100,000 K 和 10 的功率减去 8 GeV。其次是离子的时代：质子、正电子、He、电子、光子。宇宙微波背景为 3000 年、60,000 K 和 5 到 10 的功率减去 9 GeV。其次是原子时代。第一批恒星和星系在 300,000 年、3000 K 和 3 变成 10 时形成，功率减去 10 GeV。接下来是恒星和星系的时代。如今，温度为2.7 K，能量为2.3比10，功率减去 13 GeV。 — 图 $\PageIndex{2}$ ：宇宙从宇宙大爆炸到现在演变的大致时间表。

宇宙大爆炸 $(t < 10^{-43} s)$ ：当前的物理定律崩溃了。在最初的宇宙大爆炸事件结束时，宇宙的温度大约为 $T = 10^{32}K$ 。
通货膨胀阶段 $(t = 10^{-43} \, to \, 10^{-35})$ ：宇宙呈指数膨胀，重力与其他力量分离。宇宙冷却到大约 $T = 10^{27}K$ 。
轻@@ 子时代 $(t = 10^{-35} \, to \, 10^{-6} s)$ ：随着宇宙的不断扩张，强核力量与电磁和弱核力（或电弱力）分离。不久之后，弱核力量与电磁力分离。宇宙是夸克、轻子、光子和其他粒子的热汤。
核子时代 $(t = 10^{-6} \, to 225 \, s)$ ：宇宙由处于热平衡状态的轻子和强子（例如质子、中子和介子）组成。配对产生和配对歼灭同样容易，因此光子保持热平衡： $\gamma + \gamma \rightleftharpoons e^- + e^+ \nonumber$ $\gamma + \gamma \rightleftharpoons p + \overline{p} \nonumber$ $\gamma + \gamma \rightleftharpoons n + \overline{n}. \nonumber$ 质子的数量大致等于通过与中微子相互作用产生的中子数量： $\nu_e + n \rightleftharpoons e^- + p \nonumber$ $\overline{\nu}_e + p \rightleftharpoons e^+ + n. \nonumber$ 宇宙的温度稳定为大约 $10^{11} K$ —— 对于持续产生核子-抗核子对来说，太酷了。质子和中子的数量开始超过其反粒子，因此质子-反质子 $(p\overline{p})$ 和中子-反中子 $(n\overline{n})$ 歼灭减少了。氘子（质子-中子对）开始形成。
核合成时代（ $t = 225 s$ 到 1000 年）：随着宇宙的不断扩张，氘与质子和中子发生反应形成更大的核；这些较大的原子核与质子和中子发生反应，形成更大的原子核。在这段时期结束时，大约四分之一的宇宙质量是氦气。（这解释了宇宙中目前的氦气量。）光子缺乏继续产生电子正电子的能量，因此电子和正电子只能相互消灭成光子。
离子年龄 $(t = 1000$ 到 3000 年）：宇宙足够热，足以电离任何形成的原子。宇宙由电子、正电子、质子、轻核和光子组成。
原子年龄 $(3000$ 到300,000年）：宇宙在下面冷却 $10^5\, K$ ，原子形成。光子与中性原子的相互作用不强，因此它们与原子 “分离”（分离）。这些光子构成宇宙微波背景辐射，稍后将讨论。
恒星和星系的时代（ $(t = 300,000$ 多年至今）：原子和粒子被重力聚集在一起，形成大块。恒星中的原子和粒子会发生核聚变反应。

视频

观看此视频，了解有关宇宙大爆炸宇宙学的更多信息。

为了定量描述早期宇宙的状况，回想一下相互作用粒子系统中粒子（E）的平均热能与该系统的平衡温度（T）之间的关系：玻尔兹曼常数 $E = k_BT, \nonumber$ 在 $k_B$ 哪里。在早期宇宙的炎热条件下，粒子能量大得难以想象。

示例 $\PageIndex{1}$ : What Was the Average Thermal Energy of a Particle just after the Big Bang?

策略

相互作用的粒子系统中粒子的平均热能取决于该系统的平衡温度。在上面的时间表中，我们得到了这个大概的温度。

解决方案

宇宙学家认为，宇宙大爆炸之后的宇宙温度大约为 $T = 10^{32}K$ 。因此，粒子的平均热能本来是

$k_BT \approx (10^{-4}eV/K)(10^{32}K) = 10^{28} eV = 10^{19} GeV. \nonumber$

意义

这种能量比人造粒子加速器产生的粒子能量大许多数量级。目前，这些加速器的运行能量小于 $10^4 \, GeV$ 。

练习 $\PageIndex{1}$

比较一下宇宙大爆炸一万年后和现在按质量划分的氦气丰度。

回答: 差不多

核子形成的能量大约等于质子的剩余质量或 1000 兆电子伏。因此，与该能量相对应的温度是

$T = \dfrac{1000 \, MeV}{8.62 \times 10^{11} MeV \cdot K^{-1}} = 1.2 \times 10^{13}K. \nonumber$

这个值或更高的温度存在于早期宇宙的第一秒内。可以对原子进行类似的分析。原子形成的能量等于基态氢的电离能 (13 eV)。因此，原子形成的有效温度为

$T = \dfrac{13 \, eV}{8.62 \times 10^5 \, eV \cdot K_{-1}} = 1.6 \times 10^5 K. \nonumber$

这种情况发生在四种基本力分离之后很久，包括结合原子核中的质子和中子所需的力（强核力），以及将电子与原子核结合所需的力（电磁力）。

轻元素的核合成

宇宙中氢气、氦气、锂和铍轻元素的相对丰度为宇宙大爆炸提供了关键证据。数据表明，宇宙中的大部分氦气是原始的。例如，事实证明，宇宙中有25％的物质是氦气，氦气的丰度太高了，无法根据恒星中氦气的产生来解释。

宇宙中有多少元素是在宇宙大爆炸中创造的？如果你把时钟倒转，宇宙就会变得越来越压缩，越来越热。最终，达到了允许核合成的温度，即原子核形成时期，类似于太阳核心发生的温度。据信，宇宙大爆炸的核合成是在宇宙大爆炸发生后的几百秒内发生的。

宇宙大爆炸的核合成是如何发生的？起初，质子和中子结合形成氘子， $^2H$ . 氘捕获了一个中子形成海卫子， $^3H$ 即称为钍的放射性氢的原核。氘还捕获质子来制造氦气 $^3He$ 。 $^3H$ 捕获质子或 $^3He$ 捕获中子时，会 $^4He$ 产生氦气。在宇宙大爆炸的现阶段，质子与中子的比例约为 7:1。因此，转换为几乎 $^4He$ 耗尽了所有中子的过程。这个过程持续了大约 3 分钟，几乎 $25\%$ 所有问题都变成了 $^4He$ ，还有一小部分 $^2H$ $^3H$ 和 $^3He$ 。还形成 $^7Be$ 了少量的 $^7Li$ 和。这段时间的扩张使宇宙冷却到足以使核反应停止。宇宙大爆炸之后 $^7Li$ 产生的轻核 $^2H$ 的丰度在很大程度上取决于物质密度。 $^4He$

预测的宇宙中元素的丰度为宇宙大爆炸和宇宙大爆炸的核合成提供了严格的考验。 威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）最近对物质密度的实验估计与模型预测一致。该协议为宇宙大爆炸模式提供了令人信服的证据。

宇宙微波背景辐射

根据宇宙学模型，宇宙大爆炸事件应该留下称为宇宙微波背景辐射（CMBR）的热辐射。这种辐射的强度应遵循黑体辐射曲线（光子和物质波）。维也纳定律指出，峰值强度下的辐射波长为

$\lambda_{max} = \dfrac{2.898 \times 10^{-3} \, m \cdot K}{T}, \nonumber$

其中 T 是以开尔文为单位的温度。科学家们预计，宇宙的膨胀将 “拉伸光线”，温度将非常低，因此宇宙背景辐射应该是长波长和低能量。

呈现蓝色和黄色图案的椭圆形。一些红色区域也可见。 — 图 $\PageIndex{3}$ ：这张天空地图使用颜色来显示在 WMAP 航天器上观测到的宇宙微波背景中的波动或皱纹。为了清楚起见，银河系已被移除。红色表示较高的温度和更高的密度，而蓝色表示较低的温度和密度。这张地图与先前关于平滑度的说法并不矛盾，因为最大的波动只是百万分之一。

1960年代，贝尔实验室的阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊注意到，无论他们做了什么，他们都无法消除卫星通信系统中微弱的背景噪音。噪音是由波长在厘米范围内（微波区域）的辐射引起的。后来，这种噪声与宇宙背景辐射有关。宇宙背景辐射的强度图显示在图中 $\PageIndex{3}$ 。热谱通过对应于温度的黑体曲线很好地建模 $T = 2.7 \, K$ （图 $\PageIndex{4}$ ）。

我下标 v 的图表，单位为 W per m sper Hertz s 每赫兹 s 与频率（以 GHz 为单位）和波长（以 cm 为单位）。曲线逐渐上升，达到峰值和急剧下降。曲线适用于 2.73 K 的黑体。曲线上标有各种类型的点。曲线的上升斜率上有标有 LBL Italy、White Mt 和 South Pole 的点。上面是一个标有普林斯顿、地面和气球的圆点。上面是标有 DMR COBE 卫星的三个点。在峰附近，它的两侧有两个标有 Cyanogen 的光学点。峰值和下降曲线上有几个标有 UBC、探空火箭的点以及标有 FIRAS COBE 卫星的点。 — 图 $\PageIndex{4}$ ：宇宙微波背景辐射的强度分布。模型预测（直线）与实验结果（点）非常吻合。频率和亮度值显示在对数轴上。（来源：乔治·斯穆特/美国宇航局 COBE 项目）

早期宇宙中原子的形成使这些原子不太可能与光相互作用。因此，属于宇宙背景辐射的光子必须在与 1 eV（原子的近似电离能）相关的温度 T 下与物质分离。此时宇宙的温度是

$k_BT \sim 1 \, eV \Rightarrow T = \dfrac{1 \, eV}{8.617 \times 10^5 eV/K} \sim 10^4 \, K. \nonumber$

根据宇宙学模型，光子最后一次散射带电粒子的时间大约在宇宙大爆炸之后的38万年。在此之前，宇宙中的物质呈等离子体形式，光子被 “热化”。

反物质和物质

从直接观察中我们知道反物质很少见。地球和太阳系几乎是纯物质，宇宙的大部分似乎也由物质主导。缺乏来自太空的歼灭辐射，尤其是相对没有电子和正电子相互歼灭所产生的0.511兆电子伏 $\gamma$ 射线，就证明了这一点。（自然界中的反物质是在粒子碰撞和 $\beta^+$ 衰变中产生的，但只有少量的反物质会迅速消失，使几乎纯净的物质存活下来。）

尽管观察到宇宙中物质相对于反物质占主导地位，但粒子相互作用和实验测量的标准模型表明，物质和反物质的相互作用方式只有很小的差异。例如，中性 kaon 衰变产生的物质仅比反物质略多。但是，如果通过这种衰变，早期宇宙中产生的物质略多于反物质，那么其余的物质可能会成对消灭，剩下的大多数普通物质形成恒星和星系。这样，我们观察到的大量恒星可能只是宇宙大爆炸中产生的原始物质的一小部分残余物。

暗物质和暗能量

在过去的二十年中，新的、更强大的技术表明，宇宙中充满了暗物质。这种物质既有趣又重要，因为目前，科学家们还不知道它是什么！但是，我们可以通过遥远星光的偏转来推断它的存在。例如，如果来自遥远星系的光被我们和银河系之间一团暗物质的引力场所弯曲，则有可能生成同一个星系的两张图像（图 $\PageIndex{5}$ ）。光通过物质的引力场弯曲被称为引力透镜。在某些情况下，星光通过环绕银河系的多条路径传递给观察者，从而产生一个环（图 $\PageIndex{6}$ ）。

图中左边是一颗星星，右边是地球。中心有一个星系。两条射线来自恒星，绕银河系弯曲到达地球。弯曲光线的背部延伸部分连接到两个物体，两个物体都标有星图，一个在星星的顶部，另一个在星星的底部。 — 图 $\PageIndex{5}$ ：来自遥远恒星的光线在星系周围弯曲。在适当的条件下，可以看到同一颗恒星的两张重复图像。

根据目前的研究，科学家只知道暗物质很冷，移动缓慢，与普通物质相互作用很弱。暗物质候选物包括中微子（“超对称理论” 中 Z 玻色子、光子和希格斯玻色子的伙伴）和在由额外空间维度构成的微环中循环的粒子。

一张黑色的天空的照片。在中心可以看到一盏黄灯。一圈白光环绕着它。 — 图 $\PageIndex{6}$ ：来自遥远恒星的光线在星系周围弯曲。在适当的条件下，我们可以看到一圈光而不是一颗星星。（来源：欧空局/哈勃和美国宇航局）

对不断膨胀的宇宙进行的越来越精确的天文测量也揭示了一种叫做暗能量的新形式的存在。人们认为，这种能量可以解释观测到的遥远星系的银河红移值大于预期的原因。这些红移表明，宇宙不仅在扩张，而且正在以越来越快的速度扩张。实际上，人们对暗能量的性质和特性一无所知。暗能量和暗物质共同代表了现代物理学中最有趣、最未解的两个难题。科学家将宇宙 $68.3 \%$ 的能量归因 $26.8\%$ 于暗能量、暗物质以及普通粒子的质量能量（图 $\PageIndex{7}$ ）。 $4.9\%$

饼图显示了 26.8% 的暗物质、4.9% 的原子和 68.3% 的暗能量。 — 图 $\PageIndex{7}$ ：宇宙中物质和能量的估计分布。（来源：美国航空航天局/WMAP 科学团队）

鉴于目前关于暗物质和暗能量本质的巨大神秘面纱，艾萨克·牛顿的谦虚话现在和几个世纪前一样真实：“我不知道自己在世界面前会出现什么，但对我自己来说，我似乎只是一个在海边玩耍的男孩，时不时地将自己转移到海边找到比普通人更光滑的卵石或更漂亮的贝壳，而真理的巨大海洋却在我面前没有被发现。”

学习目标

早期宇宙

视频

示例11.8.1\PageIndex{1}: What Was the Average Thermal Energy of a Particle just after the Big Bang?

练习11.8.1\PageIndex{1}

轻元素的核合成

宇宙微波背景辐射

反物质和物质

暗物质和暗能量

示例 $\PageIndex{1}$ : What Was the Average Thermal Energy of a Particle just after the Big Bang?

练习 $\PageIndex{1}$