宇宙最熱時(shí)是什么樣的？

郎思策

宇宙什么時(shí)候最熱？

我們的宇宙中充滿了恒星和星系，它們都不是靜態(tài)的，整個(gè)宇宙也不是靜態(tài)的。遙遠(yuǎn)的星系在引力的作用下集聚，不斷成群、成簇，它們構(gòu)成了我們這個(gè)不斷擴(kuò)展的宇宙的一部分。同時(shí)，這些星群、星簇彼此之間也在以一定的速度遠(yuǎn)離。隨著宇宙的擴(kuò)展，在空間中的每一個(gè)光子的波長(zhǎng)都會(huì)被拉伸，于是這些星群、星簇不僅變得越來(lái)越稀疏，也越來(lái)越冷。

但這意味著，如果時(shí)光倒流，我們回到宇宙的過(guò)去，會(huì)發(fā)現(xiàn)宇宙不僅比它現(xiàn)在密度更大，而且比它現(xiàn)在溫度更高。如果我們繼續(xù)往更早的時(shí)間追溯（直到我們知道的最早時(shí)刻），那么我們就來(lái)到了“大爆炸”之初——這絕對(duì)是宇宙最熱的時(shí)候。那將是什么樣的一種情況呢？

能量和物質(zhì)轉(zhuǎn)化

在當(dāng)今的宇宙中，粒子的存在都遵循一定的規(guī)則。

它們大多數(shù)具有質(zhì)量，同時(shí)也存在相應(yīng)的內(nèi)部能量，這些能量與質(zhì)量大小成正比。它們可以是物質(zhì)（對(duì)應(yīng)費(fèi)米子），反物質(zhì)（對(duì)應(yīng)反費(fèi)米子），也可以兩者都不是（對(duì)應(yīng)玻色子）。但是也有一些粒子是無(wú)質(zhì)量的，它們通常都是以光速在運(yùn)動(dòng)。

每當(dāng)物質(zhì)和相應(yīng)的反物質(zhì)相互碰撞時(shí)，它們就會(huì)自發(fā)湮滅，這時(shí)通常會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)無(wú)質(zhì)量的光子。如果你用足夠大的能量將任意兩個(gè)粒子碰撞在一起，就有機(jī)會(huì)創(chuàng)造新的物質(zhì)和反物質(zhì)粒子對(duì)。根據(jù)愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程E=mc2，只要有足夠的能量，我們就可以將能量轉(zhuǎn)化為物質(zhì)，反之，我們也可以將物質(zhì)轉(zhuǎn)化為能量。

沒(méi)有質(zhì)量的粒子

但是在宇宙早期，事情變得不是這樣了。

我們發(fā)現(xiàn)，在“大爆炸”的早期階段，在極高的能量條件下，（標(biāo)準(zhǔn)模型下的）每個(gè)粒子都是無(wú)質(zhì)量的。在這些高溫下，希格斯對(duì)稱性會(huì)完全恢復(fù)（根據(jù)希格斯機(jī)制，對(duì)稱性在破缺時(shí)會(huì)使粒子產(chǎn)生質(zhì)量）。

由于宇宙太熱了，不僅不能形成原子和原子核，而且連單個(gè)的質(zhì)子和中子也不能形成。它這時(shí)就是一個(gè)高熱、高密度的等離子體，其中充滿了可能存在的粒子和反粒子。由于它能量太高，就連被稱為宇宙“隱身人”的中微子和反中微子，也比其他任何時(shí)候都更頻繁地變成其他粒子。

每微秒內(nèi)，每個(gè)粒子都會(huì)撞擊萬(wàn)億次，并且都在以光速運(yùn)動(dòng)。除了我們知道的粒子外，很可能還有我們今天不知道的其他粒子和反粒子存在。

最熱時(shí)能量有多大？

早期宇宙比我們?cè)诘厍蛏夏芸吹降娜魏螙|西都要熱得多，并且充滿能量。這些能量有多大呢？做個(gè)對(duì)比可以知道：它是最強(qiáng)的宇宙射線的100萬(wàn)倍，是大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)能量的10億倍。

隨著宇宙的膨脹，宇宙的溫度不斷下降。

在這么強(qiáng)大的能量下，也許以下這些粒子早已產(chǎn)生，比如：超對(duì)稱粒子、大統(tǒng)一理論預(yù)測(cè)的粒子、構(gòu)成我們目前認(rèn)為的最小粒子的粒子、重型右旋中微子、各種的暗物質(zhì)候選粒子……只是我們無(wú)法知道。

最熱時(shí)溫度有多高？

這是宇宙最熱的時(shí)候嗎？是的，有觀測(cè)證據(jù)可以證明這一點(diǎn)——這是宇宙從未有過(guò)的高熱和致密狀態(tài)，但它的溫度并不是無(wú)限高的。

這些證據(jù)就是今天我們觀察到的宇宙微波背景：來(lái)自大爆炸余下的輻射光。它們是2.725K的波，在宇宙中均勻分布，只有僅幾十或幾百微開(kāi)爾文的波動(dòng)。通過(guò)這些漲落的頻譜和幅度，我們知道，宇宙在大爆炸最早、最熱的階段，其溫度是有一個(gè)上限的。

在物理學(xué)中，（所有的一切）最高的能量在普朗克尺度上，大約為1019GeV（1GeV是將一個(gè)電子加速到十億伏特的電位所需的能量）。超出這個(gè)能量，我們的物理定律將變得沒(méi)有意義。

根據(jù)宇宙微波背景下的波動(dòng)圖，我們發(fā)現(xiàn)，宇宙并未達(dá)到最高溫度（即1019GeV）。該波動(dòng)圖表明，我們宇宙曾經(jīng)達(dá)到的最高溫度僅為1016GeV，只有理論上普朗克尺度下溫度的千分之一。換句話說(shuō)，宇宙具有可以達(dá)到的最高溫度，并且遠(yuǎn)低于普朗克尺度。

不同區(qū)域溫度變化

宇宙微波背景不僅告訴了我們大爆炸達(dá)到的最高溫度，還為我們提供了更多信息——比如，它告訴我們，形成今天宇宙結(jié)構(gòu)的“種子”，是什么時(shí)候埋下的。

宇宙某一個(gè)區(qū)域之所以會(huì)冷卻，是因?yàn)檫@個(gè)區(qū)域相對(duì)于其他區(qū)域密度較高，致使引力也相對(duì)較大，光線從引力勢(shì)能較高的這些地方跑了出來(lái)。相應(yīng)地，熱的區(qū)域，都來(lái)自密度低于平均密度的地方。

隨著時(shí)間的流逝，這些冷卻下來(lái)的地方將成長(zhǎng)為星系、星團(tuán)和星系團(tuán)，并將逐漸形成巨大的宇宙網(wǎng)。而那些熱的地方，會(huì)在源源不斷地把它們的物質(zhì)交給溫度更低、密度更高的區(qū)域后，在數(shù)十億年的時(shí)間里，演變成巨大的宇宙空隙。

最高溫度是短暫的

早期宇宙達(dá)到了最高溫度（1016GeV）的時(shí)候，它的溫度就會(huì)立即開(kāi)始下降。

這是因?yàn)橛钪嬉恢痹谂蛎?。而每?dāng)宇宙膨脹時(shí)，隨著空間結(jié)構(gòu)的伸展，其中的波長(zhǎng)（波完成一個(gè)振蕩所需的距離）也隨之伸長(zhǎng)，從而使輻射的能量越來(lái)越低。較低的能量對(duì)應(yīng)較低的溫度，因此隨著時(shí)間的流逝，宇宙不僅密度會(huì)降低，而且熱量也會(huì)降低。

隨著時(shí)間的流逝，不斷擴(kuò)展和冷卻的宇宙將產(chǎn)生大量的變化，慢慢地，宇宙的結(jié)構(gòu)和形態(tài)被創(chuàng)造出來(lái)了。