物理学家的观测和计算结果是我们这个宇宙起源于137亿年以前的一次“大爆炸”。
我们已知的物理定律只能从宇宙起源10^(-43)秒之后开始起作用 —— 这就是“普朗克时间”.
物理学一共有四种基本相互作用:引力、强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用。在普朗克时间之前,四种相互作用是统一在一起的,描述那样的状态需要把广义相对论和量子力学统一在一起,而这个工作现在还没做好。
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。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,光子又会再产生正反夸克和电子。
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。
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。
其中某一颗行星,距离太阳不远不近,正好允许液态水的存在,这个行星就是地球。此后又经过无数机缘巧合,地球上有了生命,生命演化,最后终于有了你。
有个著名的说法说,我们每一个人都是一亿分之一的幸运者。这因为当初精子和卵子结合,是一亿个精子中只有一个最终能进入卵子形成受精卵,在这场竞争中,我们每个人都打败了一亿个精子。
但是你想想宇宙的起源!我们的幸运度其实比这要严重得多 —— 构成你身体的、你周围环境的每一个原子,都是这么幸运。每一个原子身上的每一个质子、中子、电子,都是正反物质湮灭中十亿分之一的幸存者!
本文整理自万维刚的精英日课