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从大爆炸到现在:穿越时空的宇宙快照

介绍

从大爆炸到现在:穿越时空的宇宙快照

一开始,什么都没有。然后,大约在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,以及是否还有时间。但是,利用望远镜的观测结果和粒子物理学模型,研究人员已经能够将宇宙生命中重大事件的大致时间表拼凑在一起。在这里,我们看一下从婴儿期到最终死亡的一些最重要的历史时刻。

大爆炸

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这一切都始于“宇宙大爆炸”,那是“一个时刻,而不是一个空间点” 。具体来说,这是时间本身开始的时刻,从该时刻开始计算所有后续的时间。尽管有著名的绰号,但“大爆炸” 并不是真正意义上的爆炸而是一个非常炙热而密集的时期,空间立即开始向各个方向向外扩展。尽管“大爆炸”的模型表明宇宙是无限密度的无限小点,但这只是一种简单的说法,即我们不太了解当时的情况。数学上的无限性在物理方程式中没有意义,因此“大爆炸”确实是我们目前对宇宙的极限描述。

宇宙加速膨胀时代

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宇宙在大爆炸之后的第一个10的负30次方秒内,宇宙的大小可能呈指数增长,从而驱散了之前紧密接触的宇宙区域。这个被称为加速膨胀的时代仍然是假设的,但是宇宙学家喜欢这个想法,因为它解释了为什么遥远的空间区域尽管彼此相距遥远,却显得如此相似。早在2014年,一个团队认为他们从早期宇宙中就发现了这种膨胀的信号。

夸克胶子等离子体

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时间开始几毫秒后,早期的宇宙温度在4万亿至6万亿摄氏度。在这样的温度下,通常被牢固地束缚在质子和中子内部的称为夸克的基本粒子自由地徘徊。胶子带有一种被称为“强力”的基本力,并与这些夸克混合在渗透到宇宙中的浓稠原始流体中。研究人员设法在地球上的粒子加速器中创造了类似的条件。但是,无论是在地面原子粉碎机还是在早期宇宙中,难以实现的状态仅持续了几分之一秒。

早期时代

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在下一个阶段中,大约是在发生大爆炸之后几千分之一秒开始的。随着宇宙的膨胀,它开始冷却,很快条件就足以使夸克聚集成质子和中子。在大爆炸之后的一秒钟,宇宙的密度下降到足以使中微子(最轻,相互作用最小的基本粒子)可以向前飞翔而不会撞到任何东西,从而形成了科学家尚未发现的所谓的宇宙中微子背景。

第一个原子

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在宇宙生命的前三分钟,质子和中子融合在一起,形成了一种叫做氘的氢同位素,还有氦以及少量的次轻元素锂。但是一旦温度下降,这个过程就停止了。最终,在大爆炸发生38万年后,宇宙变得足够凉爽,以至于氢和氦可以与自由电子结合,从而产生第一个中性原子。以前碰到电子的光子现在可以不受干扰地移动,产生了宇宙微波背景(CMB)。

黑暗时代

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很长时间以来,宇宙中没有任何东西会发光。这个时期持续了大约一亿年,被称为宇宙黑暗时代。由于天文学家对宇宙的了解几乎完全来自星光,因此这一时期仍然极其难以研究。没有星星,很难知道发生了什么。

最初的星星

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在大爆炸之后大约一亿八千万年,氢和氦开始坍塌成大球体,在它们的核心产生了地狱般的温度,并点燃了第一批恒星。宇宙进入了一个称为“宇宙黎明”或“电离”的时期,因为早期恒星和星系辐射出的热光子将星际空间中的中性氢原子分解为质子和电子,这一过程称为电离。很难说电离持续了多长时间。因为它发生得太早了,所以它的信号被后来的气体和尘埃所遮盖了,这是在大爆炸之后已经结束了大约5亿年。

大型结构

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在这里,宇宙开始正式营业,或者至少是我们今天所了解的熟悉业务。早期的小型星系开始合并成较大的星系,并且在大爆炸发生约十亿年后,其中心形成了超大质量的黑洞。明亮的类星体打开后会产生强烈的信标,可以从120亿光年以外的地方看到它们。

宇宙的中年

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在接下来的数十亿年里,宇宙继续发展。来自原始宇宙的密度较高的点在重力作用下吸引了物质。它们缓慢地长成银河星团,并长着一团团气体和尘埃,形成了今天可以看到的美丽的丝状宇宙网。

太阳系的诞生

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大约45亿年前,在一个特定的星系中,气体云崩塌成黄色恒星,周围环绕着许多环。这些环合并成八个行星,再加上各种彗星,小行星,矮行星和卫星,形成了一个熟悉的恒星系统。在这个过程之后,距离中心恒星三分之一的行星设法保留了一些水,或者后来彗星释放出大量的冰和水。

地球与人类

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在第三个充满水的世界中,大约在38亿至35亿年前,微小而简单的微生物就开始存在。这些生命形式出现并演变为奇妙的海怪和硕大的食叶恐龙。最终,大约在20万年前,出现了直立的生物,它们能够惊叹于我们神秘的宇宙并发现整个宇宙是如何产生的。

结束(还是不结束?)

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当然,这还不是终点。物理学家仍然不太了解宇宙中存在什么。这取决于暗能量的细节,暗能量是一种驱散宇宙的神秘力量,其性质尚未得到很好的测量。在一个可能的未来中,宇宙将永远继续膨胀,直到足够长的时间,以至所有星系中的所有恒星都将耗尽燃料,甚至黑洞也将蒸发不见,而留下由惰性能量渗透的死宇宙。否则,引力最终将克服暗能量的膨胀力,从而将所有物质以一种称为“大紧缩”的反向大爆炸拉回去。另外,暗能量可能会加速一切事物与其他事物的距离,从而创造出所谓的“宇宙大爆炸”。

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