宇宙演义·第二回 质能互化诸子生还灭太初有核原分氦与氢

1、https:/宇宙演义宇宙演义第二回第二回 质能互化诸子生还灭太初有核原质能互化诸子生还灭太初有核原分氦与氢分氦与氢上回书说到，宇宙从小小的一个奇点开始，Big Bang 一声开天地，时空都从这个奇点涌现出来。宇宙从此开始膨胀和冷却，一步步地走下温度的台阶，每下一个台阶，就变一次身。站在 1032 度这个台阶上，宇宙说：引力出来。于是引力被从大统一力中一脚踹了出来，另外三兄弟还抱在一起（上回书出现了口误，说书人在此致歉）；站在 1028 度这个台阶上，宇宙又说：强力出来，于是强相互作用也被一脚踹了出来，剩下电磁力和弱力还相亲相爱地以电弱力的统一面目出现。本回书的故事就开始于电弱两兄弟开始分家单

2、过后的一瞬间，宇宙已经结束了暴胀期，无中生有地一口吃成了个大胖子，从白来的真空里获得了一大堆白来的能量。这些能量一部分随着宇宙的膨胀和冷却转化成最基本的粒子，一部分把宇宙维持在足够高的温度上。大爆炸之后的千万分之一秒，这时候的宇宙还被辐射所主宰，在明亮的辐射照耀下，是一片沸腾的夸克的海洋。这就是宇宙的“夸克期”。夸克期要展示这段时间的宇宙舞台，不得不首先隆重介绍一下夸克这位主要演员。它是物质的基本单位，也是全宇宙唯一能够参加所有四种基本相互作用 引力相互作用、强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用的基本粒子。夸克带的电荷数很古怪，有的带 1/3 个负电荷，有的带 2/3 个正电荷，必须互相搭配才

3、能凑出整数的电荷数来。夸克有 6 种不同的“味”，相当于 6 种不同形状的拼图，其中上夸克和下夸克是一对儿，顶夸克和底夸克是一对儿，粲夸克和奇异夸克是一对儿，每一对都是一个一 1/3 电荷搭配一个 2/3 电荷的组合，这是夸克家族的三个世代；每种“味”又分红绿蓝 3 种“色”，相当于每个不同形状的拼图都有 3 种不同颜色。所以算起来总共有三六一十八种不同的夸克，每种夸克对应一种反夸克，这就是浩浩荡荡三世同堂总共 36 种夸克。夸克和夸克之间通过胶子来相互作用，待会儿宇宙温度再下一个台阶的时候，胶子就会把夸克们黏在一起。不过现在所有的夸克和胶子还都自由自在，互不干涉。它们挨挨挤挤、摩肩擦踵，和另

4、一大类粒子 非常轻的“轻子”一起，挤满了这段时间的宇宙。夸克期的时间非常短，但是宇宙在这时候可是忙得不可开交：夸克、胶子和轻子都是最简单的基本粒子，它们不断地从充满辐射的虚空中成对诞生，又立刻成对湮灭，达到完美的热平衡。但是宇宙可不会满足于这种单纯的热闹和简单，当它的年龄达到 1 微秒时，又毅然决然地在温度的台阶上朝下迈出一https:/步，蹦到了 1013 度这一级上。这一步迈出，就断送了夸克期的自由和热闹。有分教：六味三色分正反，虚空生灭起重楼；难逃束缚因强力，夸克从此不自由。强子期在温度下降的同时，粒子运动速度变慢，这回强相互作用可发挥作用啦，它利用胶子作为媒介，一把抓住了夸克，把它们三

5、个一群两个一伙地黏了起来。这次的抓捕是一劳永逸的，夸克从此被判了无期徒刑，再也没能单独跑出来。宇宙现在改变了审美品味，它再也不喜欢 1/3 这种电荷数目了，不凑出整数的电荷不许出来混。于是胶子们精心搭配，把夸克们的电荷数拼凑成 1、0 或者-1。由夸克组成的粒子都参加强相互作用，它们被统称为“强子”，宇宙从第一个微秒开始进入了强子期。强子分为两大类，一类由三个夸克组成，分量可想而知是很重的，所以叫“重子”。另一类由一个夸克和一个不同味的反夸克（同味的碰到一起马上就会湮灭掉）组成，比重子轻，可是又比轻子重，介于两者之间，所以叫“介子”。介子是传递相互作用的粒子，重子是组成物质的粒子。重子家族有两

6、位代表我们很熟悉，那就是质子和中子。现在的宇宙舞台被强子和反强子霸占了，光子、轻子和反轻子也在舞台上晃悠，形成稠密的混合物。基本的戏码倒是没什么变化，还是粒子的产生和湮灭。但在强子期的舞台上，发生了一段对我们来说至关重要的剧情：宇宙这一次抛弃了正反粒子的对称，它玩了一个小小的把戏，让粒子的数量稍稍超过了反粒子的数量。差别并不大，在强子期结束的时候（宇宙年龄 100 微秒），大约每 10 亿对正反粒子中会多出 1 个粒子。这个落单的粒子被保留下来，其余的 10 亿对正反粒子互相湮灭消失。没有人知道宇宙是怎么做到这一点的，不过正是多出来的这十亿分之一的物质，构成了我们现在这个物质宇宙。要是宇宙没能

7、在强子期作弊成功，如今的宇宙恐怕就只能是一片荒芜静默，空荡荡没什么东西了。轻子期强子期之后的下一个台阶是轻子期，从温度达到 1012 度开始。我们最常听说的轻子是电子和中微子，这一段的主角也就是它们。如果说强子期的关键剧情是“捕获”，原本自由的夸克被“强力”这个警察抓起来关到强子里，那么轻子期的关键剧情就是“解放”，中微子从此逍遥法外，再也不跟别的粒子发生相互作用。https:/跟夸克分为三个世代一样，中微子也分为三代。三种中微子分别对应电子、子和子 我们不用管后两种陌生的粒子是干啥的，只要记住：电子中微子只跟电子相互作用、子中微子只跟子相互作用，子中微子呢，只跟子相互作用。而且中微子有个格外

8、狡猾的特性，电子和正电子很容易相互湮灭，子和反子也一样，但中微子和反中微子之间却不能轻易湮灭。所以当中微子的“伴侣”消失之后，它自己却能天长地久地存活下来，以光速在宇宙中毫无阻碍地运动。随着宇宙的不断冷却，正反子对和电子-正电子对的产生速度越来越跟不上湮灭的速度，只好从宇宙舞台上退场。它们这一退场不要紧，子中微子和电子中微子顿时也获得了解放。现在宇宙里再也没有什么东西会和中微子相互作用了，它成为了宇宙的背景，到处以光速打着酱油，甚至可以轻而易举地穿过地球而不碰到任何一个粒子，就这么大摇大摆地扬长而去。轻子期的另一个重要事件，是质子和中子产生了明显的数量差异。这个差异其实在强子期就已经出现，因为

9、中子比质子稍微重一点点，于是产生中子的难度也就比质子稍微大一点点。在强子期结束的时候，因为温度很高，质子和中子之间可以相互转化，差异还不明显。随着轻子期温度的降低，中子可以衰变为质子，质子却已经不可能和电子结合成为中子，于是中子越来越少，中子和质子的数量比逐渐从 1：1 变成了 1：5。与此同时，宇宙的温度又下降了一个台阶。在轻子期的末尾，宇宙年满 1秒的时候，绝大多数电子都成对湮灭，把自己湮灭的能量全部传递给了光子。从此，宇宙告别了轻子期，进入了辐射期。辐射期辐射期持续的时间那就比前面所有时期都要长了，从宇宙年龄满 1 秒开始，一直持续了整整 10 万年。辐射期结束的标志就是辐射密度与物质密

10、度相等，这时候宇宙的温度是几千度 说到这里需要额外声明一下，本文里出现的温度其实都是国际温标，说多少度的时候指的都是多少开尔文。用国际温标做单位的最大好处是套公式不用换算，宇宙里辐射的密度和温度的 4 次方成正比，物质的密度和温度的 3 次方成正比，所以随着温度的下降，辐射密度下降得更快，在宇宙年满 10 万年的时候两者达到相同水平，在那之后，就是物质占据主导的时期了。在辐射期的初期，宇宙中发生了一件惊天动地的大事。短短 200 秒间，宇宙中有大约四分之一的自由质子和电子被转变成了氦原子核。宇宙中有这么多恒星，所有的恒星加起来花了 100 亿年的时间才把宇宙中 2%的氢变成氦，而宇宙早期的这次

11、核合成，却把 10 倍于此的氢在 200 秒内燃烧成了氦。这次巨大的席卷整个宇宙的核合成事件被称为“太初核合成”，它意味着宇宙中最早的元素划分。上演太初核合成的那一级温度台阶是 10 亿开，这是氘核刚好能够保持稳定的温度。宇宙在年满 100 秒的时刻踏足这一级台阶，这段时间https:/的舞台，是质子和中子的天下。书中暗表，在宇宙温度降到 10 亿开的时候，质子和中子的数量比早就又已经发生变化，如今是每 7 个质子才对应 1 个中子。由此算来，每 16 个核子（质子和中子合称为核子）中会产生 1 个氦核和 12 个氢核，相当于所有物质中的四分之一转变成氦。至今，宇宙中的氦也没能比它刚诞生 300 秒的那时候增加多少。氢和氦的丰度之比正是支持大爆炸假说的最初的几根支柱之一。其他更重的元素，除了极少量的锂之外，都要等最初