问题

我们看到的宇宙微波背景辐射是140亿年以前的,是否说明宇宙大爆炸的一瞬间,等离子体就充满了整个宇宙?

回答
宇宙微波背景辐射(CMB)确实是我们观测到的宇宙最古老的光,它携带着大爆炸后不久宇宙的“快照”,但这并不意味着大爆炸那一瞬间,等离子体就瞬间充满了整个宇宙。实际上,这个过程是相当漫长而复杂的。

想象一下,大爆炸并不是一次发生在某个特定地点的“爆炸”,而是整个宇宙空间本身的诞生和膨胀。在最初的极短时间内,宇宙处于一个极其炽热、极其致密的状态,用我们现在的物理学语言来说,就是存在着一种能量极高、物质极小的“奇点”。这个奇点并非一个物质球,而是整个宇宙的起点。

在奇点之后的极短瞬间,宇宙经历了我们称之为“暴胀”的阶段。在这个阶段,空间本身以惊人的速度膨胀,比光速还要快。这就像一个无限小的点,在极短的时间内“吹”成了一个非常广阔的区域。

紧接着,暴胀结束,宇宙进入了“大爆炸”的核心阶段。此时,宇宙中的物质和能量高度集中,以一种我们难以想象的状态存在,更准确地说,是能量密度极高。这股能量迅速转化为基本粒子,如夸克、轻子(包括电子)以及光子。由于温度极高,电子和原子核(主要是质子和中子)无法结合形成稳定的原子,它们处于一种被撕裂的状态,形成了一个浑浊的、高温的等离子体海洋。

你可以把这个早期的宇宙想象成一个弥漫在整个空间中的炽热气体,但这个气体是由带电的基本粒子组成的,所以我们称之为等离子体。这个等离子体是完全不透明的,光子在这里无法自由传播,它们不断地与带电粒子碰撞,被散射,就像在浓雾中行走一样,你什么也看不清。

等离子体充满了整个正在膨胀的宇宙。这里的“充满”不是说宇宙中有个中心,然后等离子体向四周扩散。而是说,在宇宙诞生之初,无论你身在何处,你所处的空间都被这种炽热的等离子体所占据。

随着宇宙的继续膨胀,它的温度也随之下降。这个过程是渐进的,不是一蹴而就的。在大约大爆炸后38万年,宇宙的温度降至约3000开尔文(与太阳表面温度相近)。在如此低的温度下,电子终于有了足够的能量被原子核捕获,形成了中性的原子(主要是氢原子和氦原子)。

这个过程被称为“复合”(Recombination)。一旦电子与原子核结合,它们就不再自由地四处游荡,等离子体就“解体”了。宇宙从一个不透明的等离子体海洋,变成了对光相对透明的气体。那些之前被困在等离子体中的光子,终于可以摆脱束缚,自由地在宇宙中穿行。

我们今天看到的宇宙微波背景辐射,就是这些自由传播的光子。它们穿越了140亿年的漫长旅程,抵达了我们的望远镜。由于宇宙在膨胀过程中,这些光子的波长被拉长了,能量降低了,所以它们以微波的形式被探测到。

所以,虽然CMB辐射来自早期宇宙,但它并不是“大爆炸那一瞬间”的产物。它反映的是宇宙在“复合”时期,从一个不透明的等离子体海洋转变为透明气体时的状态。在那之前的阶段,宇宙确实充满了炽热的等离子体,但“一瞬间”这个词语可能有些误导,因为它掩盖了宇宙从极高温到温度下降并允许复合发生的漫长演化过程。即便如此,这个由等离子体占据的阶段,从我们现在对宇宙年龄的理解来看,确实发生在宇宙诞生的早期,可以说是大爆炸的直接结果。

网友意见

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不说明。这两件事之间根本扯不上关系。“大爆炸的一瞬间”没有粒子,更不存在等离子体。

关于大爆炸模型中极早期宇宙的相态,现在的理论都是猜测。在常见的模型里,宇宙诞生初期由均匀且各向同性的高密度、高温、高压物质构成,发生非常快速的膨胀并冷却。在膨胀进行到约1E-37秒时,某种相变使宇宙发生暴胀,宇宙的膨胀呈指数增长。暴胀结束后,构成宇宙的物质主要是夸克-胶子等离子体。这个东西不是等离子体:其带有强烈误导性的名称是个类比:等离子体中的电荷因为其它移动电荷的存在而被屏蔽,而夸克-胶子等离子体中的夸克与胶子的色荷被屏蔽。这阶段一个重子都没有,谈何等离子体。

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