宇宙初始阶段的独特现象

我们在地球上重现了大爆炸——科学家们了解宇宙最初几秒钟内发生的事情。

我们采访了天体物理学家、费米实验室科学家丹胡珀教授，了解目前关于宇宙诞生初期我们所知的情况。

描绘大爆炸的插图。图片来源：MarckGarlickSciencePhotoLibraryGettyImages

宇宙已有138亿年的历史，自大爆炸以来已有138亿年经历演化，产生了包含恒星、行星及生命形态的星系，如今我们正从中观察。

随着观测技术的不断提升，科学家借助更先进的望远镜能够更深入地探索宇宙，从而捕捉到远古的光迹，并实现对时空的追溯与探索。

但如果真是这样，我们又学到了什么？我们对大爆炸后的最初时刻究竟了解多少？

第一代恒星是如何形成的？大爆炸之前是否存在之前？宇宙最终将如何终结？

丹胡珀教授是费米国家加速器实验室理论天体物理学组负责人，同时担任芝加哥大学天文与天体物理学教授。

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他的书《时间的边缘》讲述了从宇宙大爆炸后几秒到我们对引力波和暗物质当前认知的故事。

科学家通过多种方法整合了至少部分谜题的线索，逐步拼凑出部分答案。

我们采访了胡珀教授，以了解更多关于我们令人惊叹的宇宙的故事。

关于更多宇宙学内容，可阅读我们关于核面、时空、超对称性和反物质的指南。

演化过程瞬间的细节难以通过常规观测手段直接明确描述，此类涉及基础物理规律的探讨通常属于科学范畴，需依托专业的研究与实证研究来解读。

从大爆炸后几秒到现今，我们拥有大量相关的观测和测量数据可供研究。

这一系列数据使我们有充分信心，能够较为准确地理解宇宙历史的这一部分。

但当我们回溯到大爆炸后的最初几秒乃至更短的时间，已无法依赖任何直接的观测证据。

与其观察这一时期，我们只能通过在粒子加速器中重现大爆炸的条件来了解它。

在这些机器中，我们研究物质和其他形式的能量在极高温度下的行为，这种温度条件在宇宙大爆炸后最初的一万亿分之一秒内普遍存在。

我们在这里重现了大爆炸的微观宇宙。

大型强子对撞机：世界上最大、最强大的粒子加速器 图片来源：欧洲核子研究中心（CERN）

当宇宙中的恒星与行星最初形成时，本质是早期星系内高温高压环境下，气体与蒸汽通过引力坍缩、发生核聚变，逐步积聚能量并凝结成密度较高、具备发光能力的天体。 当恒星与行星最初形成时，本质是早期星系内高温高压环境下，气体与蒸汽通过引力坍缩、发生核聚变，逐步积聚能量并凝结成密度较高、具备发光能力的天体。

第一批恒星的形成——我们称之为宇宙黎明——发生在大爆炸后大约2亿年左右。

这些恒星体积巨大、温度极高，其演化速度远快于大多数现代恒星。

我们的太阳和组成太阳系的行星是在大约46亿年前形成的。

在宇宙学意义上，我们是宇宙中较晚出现的成员。

哈勃太空望远镜拍摄的星系团MACSJ1149.52223图像。插图为ALMA观测到的星系MACS1149JD1，展现其早期演化状态。图像来源：ALMA（欧洲南方天文台日本国立天文台美国国家射电天文台）、美国国家航空航天局欧洲航天局哈勃太空望远镜、W.Zheng（约翰霍普金斯大学）、M.Postman（太空望远镜科学研究所）、CLASH团队、桥本等人。

我们能否了解大爆炸之前发生了什么？

按照我们对宇宙的传统理解，确实不存在大爆炸之前这个说法。

询问大爆炸之前发生的情况，如同询问北极以北的存在，这些表述之间并无实际指代内容。

宇宙在诞生的同时产生时间和空间，二者均随大爆炸一同形成，在此之前不存在时间或空间。

我们对于宇宙早期非常未知的部分仍存诸多研究，因此保持开放的态度看待这类情况更为适宜。

我完全不惊讶，30年后宇宙学家对这类问题的回答会与今天大不相同。

反物质是什么？ 反物质是与普通物质相对应的一种物质形态，它由反粒子组成。反粒子具有与相应普通粒子相同的质量，但电荷相反。当反物质与普通物质相遇时，两者会发生湮灭反应，释放出巨大能量。反物质在宇宙中极其稀少，但在实验室中可以制造出来。研究反物质有助于理解宇宙的起源和基本物理规律。

使用粒子加速器和其他类型的实验，物理学家发现，每一种物质都有对应的反物质形式。

除了电子之外，还存在正电子，它与电子相似，但带有正电荷而不是负电荷。

夸克对应反夸克，中微子对应反中微子，以此类推。

每当物质创生时，其同时创生相等量反物质。

一位艺术家描绘的两颗中子星碰撞产生引力波的印象图。图片来源：欧洲南方天文台L.CalçadaM.Kornmesser

哪些实验将帮助我们回答这些问题？

很兴奋有许多计划好的实验和观察 很兴奋有许多计划好的实验和观察

在未来十年左右，我们将以更高精度测量大爆炸后38万年期间释放的光线，那时正是首批原子形成之时。

这种光有可能帮助我们进一步了解宇宙暴胀时期——即宇宙极早期空间经历一次极速膨胀的短暂阶段。

我们希望能部署一系列卫星，以监测从大爆炸时期发出的引力波信号。

这些引力波是空间和时间最基础结构的涟漪。

展望更遥远的未来，我希望有朝一日我们能够直接探测并测量宇宙大爆炸后最初一秒内产生的中微子。

宇宙将如何终结

科学家可以对宇宙的最终命运做出预测，但我们无法完全确定这些预测是否正确。

根据目前的认知，宇宙似乎将永远膨胀下去。

随着过程推进，我们的宇宙将变得越来越稀疏，也越来越寒冷

最终，任何可用的能量都会耗尽，我们的宇宙将变得越来越寒冷和空旷——一片宇宙荒原。

AtTheEdgeofTimeispublishedbyPrincetonUniversityPress.

BY: Iain Todd

FY: AI

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选文：天文志愿文章组-

翻译：AI

审核：天文志愿文章组-

终审：天文志愿文章组-零度星系

排版：天文志愿文章组-零度星系

美观：天文志愿文章组-

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3.原文来自： https://www.skyatnightmagazine.com/space-science/space-science/what-happened-first-seconds-of-universe

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