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第1章 简介(关于可观测宇宙及本工作室介绍)

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2.3 电弱分离时期(10^{-36}~10^{-12}秒):基本粒子的诞生

当温度降至约10^{15}K(电弱统一温度),电弱力分裂为弱核力(负责β衰变等过程)和电磁力(支配带电粒子相互作用)。此时,基本粒子开始大量产生:

规范玻色子:光子(电磁力媒介)、W?/W?/Z?玻色子(弱核力媒介)、胶子(强核力媒介)获得质量(通过希格斯机制),而光子保持无质量。

费米子:夸克(上、下型)、轻子(电子、中微子等)形成,它们的质量由希格斯场赋予。

反物质:每类粒子伴随对应的反粒子(如正电子、反质子)产生,但由于某种对称性破缺(CP破坏),物质略多于反物质(约十亿分之一),这些过剩的物质构成了今天的宇宙。

2.4 夸克时期(10^{-12}~10^{-6}秒):从夸克汤到强子

温度高于10^{12}K时,夸克和胶子之间的相互作用极强,无法束缚成独立的强子(如质子、中子),宇宙由“夸克-胶子等离子体”(QGP)组成,称为“夸克时期”。

随着温度降至约2万亿K(10^{12}K以下),夸克和胶子的热运动减弱,被强核力束缚形成强子。这一相变被称为“夸克禁闭”(Quark Confinement),标志着强子的诞生。此时,宇宙中主要存在的强子是中子、质子(统称重子)和介子(由夸克-反夸克对组成)。

2.5 核合成时期(10^{-6}~1秒):元素的起源

当温度降至约10^9K(大爆炸后约1秒),质子和中子的热运动能量降低到足以克服库仑斥力,开始结合成轻原子核,这一过程称为“原初核合成”(Big Bang Nucleosynthesis, BBN)。

核合成的关键步骤如下:

氘核(2H)形成:质子与中子结合为氘核(p+n→2H+\gamma),但由于高温下光子的光致分解(\gamma+2H→p+n)占主导,氘核的积累直到温度降至约10^9K才开始。

氦-4(?He)主导:氘核迅速捕获中子形成氚(3H),再与质子结合为氦-3(3He),最终两个氦-3结合为氦-4(?He)并释放两个质子。由于中子数量有限(n/p比约1/7),氦-4的丰度稳定在约25%(质量分数)。

锂-7(?Li)少量生成:通过3H+?He→?Li+γ或3He+?He→?Be+γ等反应生成,但后续的光子衰变会部分破坏锂-7,最终丰度约为10^{-10}(质量分数)。

原初核合成的理论预测与观测到的宇宙轻元素丰度(如氦-4的24%、氘的2.5×10??)高度吻合,成为大爆炸理论的重要验证。

2.6 光子退耦与宇宙透明化(1秒~38万年):黑暗时代的终结

在核合成结束后,宇宙仍处于高温等离子体状态(质子、电子、光子剧烈碰撞),光子被自由电子散射(汤姆逊散射),无法自由传播,宇宙是“不透明”的。

当温度降至约3000K(大爆炸后约38万年),电子与质子的热运动能量不足以克服氢原子的电离能(13.6eV),大量电子与质子结合形成中性氢原子(复合过程,Rebination)。此时,光子与物质的相互作用大幅减弱,开始在宇宙中自由传播,标志着“光子退耦”(Decoupling)。

这些退耦的光子形成了我们今天观测到的宇宙微波背景辐射(CMB),其黑体谱峰值对应温度约2.725K,波长集中在微波波段(因此得名)。CMB的温度涨落(约10^{-5}K)记录了复合时期宇宙的密度扰动,这些扰动在引力作用下逐渐增长,最终形成星系、星系团等大尺度结构。

在光子退耦后至星系形成前的约1亿年,宇宙中没有可见光(恒星尚未形成),只有中性氢原子和中微子,这段时期被称为“黑暗时代”(Dark Ages)。

2.7 结构形成时期(38万年~至今):从原初扰动到星系网络

黑暗时代的结束以第一代恒星(第三星族星,Population III)的形成为标志。这些恒星由原初扰动增强的中性氢云在引力作用下坍缩形成,质量可达太阳的数百倍甚至数千倍,表面温度极高(约10^5K),发出强烈的紫外辐射。

恒星的形成开启了“再电离时代”(Reionization Era):紫外光子将中性氢原子的电子电离,使宇宙重新变得“透明”(对紫外光透明)。通过观测高红移类星体的光谱(其莱曼α吸收线显示中性氢柱密度下降),天文学家推断再电离主要发生在宇宙年龄约1亿至10亿年之间。

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