FHSST 物理學/原子核/宇宙起源

宇宙起源

深入研究微觀粒子內部，物理學家需要用高動能使它們發生碰撞。他們想要觀察物質越小的部分，就需要越高的能量。這就是他們建造越來越強大的加速器的原因。然而，加速器有其天然的侷限性。事實上，加速器不可能比我們星球的尺寸更大。即使我們設法圍繞整個地球（例如沿赤道）建造一個圓形加速器，它也無法達到$\sim 10^{17}$MeV 的能量，在此能量下，基本相互作用的偉大統一將發生。

那麼，我們該怎麼辦？我們如何檢驗萬物理論？這可能嗎？是的，可能！當然，應該在宇宙中尋找像$\sim 10^{17}$MeV 這樣天文級的數值。我們走向極小物體之旅最終將我們引向極大的物體，比如整個宇宙。

愛因斯坦的相對論方程可以描述宇宙的演化。物理學家回溯時間求解了這些方程，發現宇宙有其起源。大約 150 億年前，它從一個零尺寸點開始，迅速膨脹到目前的巨大規模。這一點必須反覆強調：大爆炸是空間的膨脹，而不是空間中的膨脹。爆炸後最初的瞬間，物質的密度和溫度高得難以置信，所有粒子的動能都比統一能$\sim 10^{17}$MeV 還要高。這意味著在最初，只有一股單一的力量，基本粒子之間沒有區別。一切都統一在一起，而且很簡單。

你可能會問那又怎樣？如此遙遠的過去如何幫助我們？。在很多方面都有幫助！宇宙的發展受基本力的支配。如果我們關於它們的理論是正確的，我們應該能夠（透過計算）再現這種發展是如何一步一步進行的。在膨脹過程中，宇宙中所有的原子核和原子都被創造出來。不同原子核的數量並不相同。為什麼？它們的相對丰度是由爆炸後最初時刻的程序決定的。因此，將理論推匯出的結果與觀測到的化學元素丰度進行比較，我們可以判斷我們的理論的有效性。

如今，最流行的描述宇宙歷史的理論是所謂的大爆炸模型。圖 15.11 所示的圖表，展示了導致物質以其當前形式產生的事件序列。

圖 15.11 宇宙的示意性歷史。

沒有人知道大爆炸之前發生了什麼，也不知道它為什麼會發生，但據推測，就在這場神秘的災難之後，宇宙非常密集且炎熱，以至於自然界的所有四種力（強力、電磁力、弱力和引力）都無法區分，因此引力受量子定律支配，就像其他三種相互作用一樣。完整的量子引力理論尚未建立，我們歷史的第一個時期仍然像大爆炸本身一樣神秘。

力之間的理想民主（平等）只持續了不到一秒鐘。到時間$t\sim 10^{-43}$ 秒時，宇宙冷卻到$\sim 10^{32}$K，引力分離出來。然而，另外三種力仍然統一為一種宇宙相互作用，由一種極重的粒子介導，即所謂的$X$ 玻色子，它可以將輕子轉化為夸克，反之亦然。

當時間接近 $t\sim 10^{-35}$ 秒時，大多數 $X$ 玻色子衰變，夸克以三元組和二元組的形式組合，形成了核子、介子和其它強子。唯一一直持續到 $\sim 10^{-10}$ 秒的對稱性，是電磁力和弱力之間的對稱性，由 $Z$ 和 $W$ 粒子介導。從最後一次對稱性破缺的那一刻起 ($\sim 10^{-10}$ 秒) 到宇宙大約 1 秒鐘大的時候，中微子透過介導中子-質子之間的轉變，因此固定了它們的平衡（中子與質子的比例），起著最重要的作用。

在大爆炸發生後的幾秒鐘內，核反應就開始發生。質子和中子非常迅速地結合起來形成氘，然後是氦。在最初的幾秒鐘內，周圍有太多高能的光子，它們在這些原子核形成後立即將它們摧毀。然而，很快，宇宙的持續膨脹改變了有利於這些新生原子核的條件。密度降低了，光子不再能如此快地摧毀它們。

在宇宙歷史上的一個短暫時期內，從大約 10 秒到 500 秒，整個宇宙表現得像一個巨大的核聚變反應堆，燃燒著氫。這種燃燒是透過一系列核反應進行的，被稱為 $pp$-鏈，因為這一系列反應中的第一個反應是質子-質子的碰撞，導致氘的形成。如今，相同的 $pp$-鏈是我們的太陽和其他恆星的主要能量來源。

但是我們怎麼知道情況是這樣的呢？換句話說，我們如何檢驗大爆炸理論？是否有可能證明 150 億年前發生的，並且在如此短的時間內發生的事情呢？是的，這是可能的！$pp$-鏈聚變，

是這種證明的關鍵。

圖：15.12 原初氘和 4He 的質量分數 $\rho (relative\ to\ hydrogen\ \rho _{p}^{})$ 對大爆炸發生後經過時間的函式。

一旦核合成開始，氘、氦同位素和其他輕核的含量就開始增加。如圖 15.12 所示，對於 ${}^{2}$H 和 ${}^{4}$He 來說，溫度和密度卻繼續下降。幾分鐘後，溫度下降到聚變實際上停止的水平，因為原子核的動能不再足以克服原子核之間的靜電排斥。因此，宇宙中輕元素的丰度被固定下來（我們稱之為 原初丰度）。從那以後，它們實際上保持不變，就像過去事件的照片一樣，天文學家可以測量它們。將測量結果與理論預測進行比較，我們可以檢驗我們對宇宙最初幾秒的假設是否正確。

天文學和微觀世界的物理學從不同的方向走向同一個點。大爆炸理論只是它們共同興趣的一個例子。另一個例子與中微子的質量有關。當泡利提出這種微小粒子來解釋原子核的 $\beta$-衰變時，它被認為是無質量的，就像光子一樣。然而，最近進行的實驗表明，中微子可能具有很小的非零質量，只有幾個電子伏特。

在基本粒子的世界中，這是一個極其小的質量，但它對宇宙產生了巨大的影響。儘管萬有引力將所有東西都拉回到一起，但宇宙仍在繼續膨脹。估計表明，所有星系的可見質量不足以阻止並逆轉膨脹。宇宙充滿了大量的中微子。即使每個中微子只有幾個電子伏特，它們的總質量也相當巨大，而且是不可見的，但有可能逆轉膨脹。

因此，天文學家和粒子物理學家之間的合作，使我們對宇宙及其演化有了重大的理解。探索仍在繼續。愛因斯坦曾經說過，“這個宇宙中最不可思議的事情是它是可以理解的。”