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在138亿年前的宇宙创生之初,不但没有时间,而且就连空间以及空间中的物质、能量都没有。根据广义相对论的推测,宇宙最开始只是一个奇点,它拥有无限高的温度和密度,无限小的体积。
奇点也存在于黑洞的内部,包括最近刚刚直接发现的M87星系黑洞。在黑洞的中心,奇点似乎是稳定的。然而,在最初的宇宙中,由于量子涨落,奇点并不稳定,它在大爆炸中创生出时间、空间和能量,宇宙开始形成并演化。
宇宙诞生的一瞬间,物质并不存在,那时的宇宙就像一个由纯能量组成的“原始汤”,包含形成各种粒子所需的全部成分。在宇宙经历极短时间的暴胀之后,夸克、轻子、胶子、希格斯玻色子等一系列基本粒子就从纯能量中创造出来。
在宇宙诞生几分钟之后,随着宇宙的快速膨胀和冷却,最早出现的基本粒子开始结合在一起形成其他复合粒子,如质子和中子。质子即为氢原子核,质子和中子又会结合在一起形成氦原子核,同时还有极少量的氘、锂、铍原子核。氢原子核和氦原子核的质量比为3:1。由于宇宙的温度和密度迅速下降,更多更重的原子核来不及形成,氢和氦就构成了宇宙的物质基础。
在宇宙形成之后的一段时间里,由于光子与带电粒子的耦合作用,宇宙是不透光的,所以我们无法通过光学手段来窥探宇宙最初时刻的景象。直到宇宙经历38万年的膨胀和冷却之后,脱耦的光子可以在空间中自由传播,宇宙才变得透光,这就是我们通过光学手段所能观测到的最早宇宙景象。
这些最古老的光子如今还在整个宇宙中游荡,各个方向的分布都非常均匀,它们被称为宇宙微波背景辐射。由于空间膨胀拉长了最初光子的波长,这些光已经成了肉眼无法看见的微波。各向同性的宇宙微波背景辐射是宇宙大爆炸理论最有力的证据之一。
经过大约1亿年的演化,宇宙的温度开始适合恒星的形成。氢、氦气体云在引力作用下形成了质量巨大的第一代恒星,它们的核聚变反应可以产生各种重元素。并且在第一代恒星的短暂一生结束之时,剧烈的超新星爆发不但可以进一步合成更重的元素,而且还能把重元素抛射到的宇宙中,成为下一代恒星的原料。
虽然恒星合成了重元素,但与氢和氦相比,重元素的比例非常低。经过138亿年后,如今宇宙中99%的物质(不包括暗物质)仍然是由氢和氦组成,并且它们的质量比还是差不多3:1,这也能作为宇宙大爆炸理论的有力证据之一。
在第一代恒星出现之后不久,星系开始形成,其中也包括我们的银河系。如果我们现在观测最为遥远的宇宙,可以看到早期宇宙的星系都是一些尚在发育的星系,这也能支持宇宙大爆炸理论。
随着时间的推移,宇宙继续膨胀和演化,最终出现了包括人类在内的地球生命。人类通过观测宇宙中的星系发现,宇宙空间正在扩张,这是宇宙大爆炸理论第一个重要的证据。这也让爱因斯坦懊悔不应该在引力场方程中加入宇宙常数,以维持宇宙的稳定状态。
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