只有广义相对论能解释宇宙演化吗?宇宙大爆炸后的宇宙演化图景

虽然宇宙学里应用的最主要理论是引力理论,但单纯的引力理论并不能完整的解释宇宙。

目前应用在宇宙学里的引力理论是爱因斯坦所提出的广义相对论,这是一套全新的引力理论,用弯曲的时空来描述引力。从宇宙大爆炸到天体运行,都能通过广义相对论加以描述,但其它理论也绝不能忽略。事实上如果单单使用广义相对论,根本无法完整地解释宇宙的演化。

与广义相对论相对应的另一个重要理论就是量子力学,它涵盖了除广义相对论所描述的引力以外的其它三种自然界相互作用力, 包括强相互作用力、弱相互作用力和电磁相互作用力(以下简称强力、弱力和电磁力)。

从宇宙大爆炸之初,量子力学所描述的这三种力就没有缺席,现在的宇宙大爆炸理论必须加入这三种相互作用力才能完整地描述宇宙的演化。

目前的宇宙大爆炸理论(包含暴胀理论)给我们构筑这样的一幅图景:

在宇宙大爆炸初期,四种相互作用力可能统一在一种称为超力的相互作用力里,宇宙大爆炸开始后,引力首先分离出来。

随后暴胀开始,宇宙以几何级数扩张,各种基本粒子在急剧膨胀的宇宙各处产生,强力分离出来。

暴胀结束后,夸克和反夸克开始在强相互作用下结合成质子、中子和反质子、反中子。由于对称性破缺,此时产生的质子、中子比反质子、反中子多产生那么一点点……当然这主要是暴胀期夸克比反夸克多产生一丢丢的缘故……

弱力与电磁力分离,已知自然界四种相互作用力完全分离,此时宇宙的温度约1亿亿K……

弱力产生后,中微子不再与质子、中子和反质子、反中子发生耦合,也就是不再与其发生相互作用,但中微子与它们依然有弱相互作用。

部分中子在弱相互作用下发生衰变,中子开始减少而质子数量开始增加,电子、高能光子和中微子从衰变的中子里释出,质量微小并不参与电磁相互作用的中微子高速向外辐射。

正反物质发生湮灭,剩下“少量”因对称性破缺多出的物质开始在强相互作用下合成氢、氦核少量锂元素的原子核,包括它们的同位素。

直到宇宙大爆炸后约38万年,带电的原子核在电磁相互作用下俘获电子形成中性原子,光子不再被到处乱飞的各种带电粒子吸收,宇宙变得透明,光子开始射向远方,宇宙大爆炸后的第一缕光线出现。此时宇宙温度约3000K,这些光线就是今天我们探测到的宇宙微波背景辐射。

宇宙在引力作用下渐渐减慢膨胀速度,原子在引力作用下凝聚成气体云团,在高密度聚集区域,恒星诞生。各处诞生的恒星点亮原始星系云形成发光星系。

第一代大质量恒星燃尽,在最后阶段发生超新星爆发,向外抛射大量重元素并最终坍缩成中子星和黑洞。中子星碰撞产生大量超重元素。

在第一代恒星爆炸的灰烬中第二、第三……代恒星诞生,包含了大量重元素的原始恒星周围形成行星。

在一个棒旋星系的一条悬臂里,一颗黄矮星旁的一个固态行星上,原始生命开始诞生!

原始生命不断演化,最终智慧生命——人类诞生!

一个智慧生命用一个晚上写下了这篇文章告诉另一个智慧生命在宇宙的演化的过程中除了引力,强力、弱力和电磁力同样重要……