FHSST 物理学/原子核/宇宙起源

宇宙起源

深入研究微观粒子内部，物理学家需要用高动能使它们发生碰撞。他们想要观察物质越小的部分，就需要越高的能量。这就是他们建造越来越强大的加速器的原因。然而，加速器有其天然的局限性。事实上，加速器不可能比我们星球的尺寸更大。即使我们设法围绕整个地球（例如沿赤道）建造一个圆形加速器，它也无法达到$\sim 10^{17}$MeV 的能量，在此能量下，基本相互作用的伟大统一将发生。

那么，我们该怎么办？我们如何检验万物理论？这可能吗？是的，可能！当然，应该在宇宙中寻找像$\sim 10^{17}$MeV 这样天文级的数值。我们走向极小物体之旅最终将我们引向极大的物体，比如整个宇宙。

爱因斯坦的相对论方程可以描述宇宙的演化。物理学家回溯时间求解了这些方程，发现宇宙有其起源。大约 150 亿年前，它从一个零尺寸点开始，迅速膨胀到目前的巨大规模。这一点必须反复强调：大爆炸是空间的膨胀，而不是空间中的膨胀。爆炸后最初的瞬间，物质的密度和温度高得难以置信，所有粒子的动能都比统一能$\sim 10^{17}$MeV 还要高。这意味着在最初，只有一股单一的力量，基本粒子之间没有区别。一切都统一在一起，而且很简单。

你可能会问那又怎样？如此遥远的过去如何帮助我们？。在很多方面都有帮助！宇宙的发展受基本力的支配。如果我们关于它们的理论是正确的，我们应该能够（通过计算）再现这种发展是如何一步一步进行的。在膨胀过程中，宇宙中所有的原子核和原子都被创造出来。不同原子核的数量并不相同。为什么？它们的相对丰度是由爆炸后最初时刻的进程决定的。因此，将理论推导出的结果与观测到的化学元素丰度进行比较，我们可以判断我们的理论的有效性。

如今，最流行的描述宇宙历史的理论是所谓的大爆炸模型。图 15.11 所示的图表，展示了导致物质以其当前形式产生的事件序列。

图 15.11 宇宙的示意性历史。

没有人知道大爆炸之前发生了什么，也不知道它为什么会发生，但据推测，就在这场神秘的灾难之后，宇宙非常密集且炎热，以至于自然界的所有四种力（强力、电磁力、弱力和引力）都无法区分，因此引力受量子定律支配，就像其他三种相互作用一样。完整的量子引力理论尚未建立，我们历史的第一个时期仍然像大爆炸本身一样神秘。

力之间的理想民主（平等）只持续了不到一秒钟。到时间$t\sim 10^{-43}$ 秒时，宇宙冷却到$\sim 10^{32}$K，引力分离出来。然而，另外三种力仍然统一为一种宇宙相互作用，由一种极重的粒子介导，即所谓的$X$ 玻色子，它可以将轻子转化为夸克，反之亦然。

当时间接近 $t\sim 10^{-35}$ 秒时，大多数 $X$ 玻色子衰变，夸克以三元组和二元组的形式组合，形成了核子、介子和其它强子。唯一一直持续到 $\sim 10^{-10}$ 秒的对称性，是电磁力和弱力之间的对称性，由 $Z$ 和 $W$ 粒子介导。从最后一次对称性破缺的那一刻起 ($\sim 10^{-10}$ 秒) 到宇宙大约 1 秒钟大的时候，中微子通过介导中子-质子之间的转变，因此固定了它们的平衡（中子与质子的比例），起着最重要的作用。

在大爆炸发生后的几秒钟内，核反应就开始发生。质子和中子非常迅速地结合起来形成氘，然后是氦。在最初的几秒钟内，周围有太多高能的光子，它们在这些原子核形成后立即将它们摧毁。然而，很快，宇宙的持续膨胀改变了有利于这些新生原子核的条件。密度降低了，光子不再能如此快地摧毁它们。

在宇宙历史上的一个短暂时期内，从大约 10 秒到 500 秒，整个宇宙表现得像一个巨大的核聚变反应堆，燃烧着氢。这种燃烧是通过一系列核反应进行的，被称为 $pp$-链，因为这一系列反应中的第一个反应是质子-质子的碰撞，导致氘的形成。如今，相同的 $pp$-链是我们的太阳和其他恒星的主要能量来源。

但是我们怎么知道情况是这样的呢？换句话说，我们如何检验大爆炸理论？是否有可能证明 150 亿年前发生的，并且在如此短的时间内发生的事情呢？是的，这是可能的！$pp$-链聚变，

是这种证明的关键。

图：15.12 原初氘和 4He 的质量分数 $\rho (relative\ to\ hydrogen\ \rho _{p}^{})$ 对大爆炸发生后经过时间的函数。

一旦核合成开始，氘、氦同位素和其他轻核的含量就开始增加。如图 15.12 所示，对于 ${}^{2}$H 和 ${}^{4}$He 来说，温度和密度却继续下降。几分钟后，温度下降到聚变实际上停止的水平，因为原子核的动能不再足以克服原子核之间的静电排斥。因此，宇宙中轻元素的丰度被固定下来（我们称之为 原初丰度）。从那以后，它们实际上保持不变，就像过去事件的照片一样，天文学家可以测量它们。将测量结果与理论预测进行比较，我们可以检验我们对宇宙最初几秒的假设是否正确。

天文学和微观世界的物理学从不同的方向走向同一个点。大爆炸理论只是它们共同兴趣的一个例子。另一个例子与中微子的质量有关。当泡利提出这种微小粒子来解释原子核的 $\beta$-衰变时，它被认为是无质量的，就像光子一样。然而，最近进行的实验表明，中微子可能具有很小的非零质量，只有几个电子伏特。

在基本粒子的世界中，这是一个极其小的质量，但它对宇宙产生了巨大的影响。尽管万有引力将所有东西都拉回到一起，但宇宙仍在继续膨胀。估计表明，所有星系的可见质量不足以阻止并逆转膨胀。宇宙充满了大量的中微子。即使每个中微子只有几个电子伏特，它们的总质量也相当巨大，而且是不可见的，但有可能逆转膨胀。

因此，天文学家和粒子物理学家之间的合作，使我们对宇宙及其演化有了重大的理解。探索仍在继续。爱因斯坦曾经说过，“这个宇宙中最不可思议的事情是它是可以理解的。”