## NewBing大小姐用量子場(chǎng)理論描述現(xiàn)有宇宙的形成
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用量子場(chǎng)理論描述現(xiàn)有宇宙形成過程,大致可以分為以下幾個(gè)步驟:
?- 第一步:從奇點(diǎn)到暴脹。宇宙最早的狀態(tài)是一個(gè)非常小非常熱的奇點(diǎn),其中所有的物質(zhì)和能量都集中在一個(gè)無限密度的點(diǎn)上。這個(gè)狀態(tài)是經(jīng)典物理學(xué)無法描述的,需要用量子場(chǎng)理論來處理。在量子場(chǎng)理論中,時(shí)空和物質(zhì)都是由量子場(chǎng)組成的,量子場(chǎng)是一種既有波動(dòng)性又有粒子性的實(shí)體,可以在不同的能量狀態(tài)之間躍遷。在奇點(diǎn)時(shí)刻,所有的量子場(chǎng)都處于最高能量狀態(tài),時(shí)空也是極度扭曲的。由于量子漲落的作用,某些區(qū)域的能量密度會(huì)稍微低一些,這就為后來的宇宙膨脹提供了可能性。在某個(gè)時(shí)刻,一個(gè)特殊的量子場(chǎng),叫做暴脹場(chǎng),開始從高能態(tài)向低能態(tài)衰變,并釋放出巨大的能量。這個(gè)能量使得時(shí)空快速膨脹,并把原來微小的密度差異放大成為宏觀的結(jié)構(gòu)。這個(gè)過程叫做暴脹,它持續(xù)了大約10^-35秒,使得宇宙的尺寸增長(zhǎng)了約10^78倍。
?- 第二步:從暴脹到再加熱。當(dāng)暴脹場(chǎng)衰變到最低能態(tài)時(shí),暴脹就結(jié)束了。這時(shí)候,暴脹場(chǎng)所剩下的能量被轉(zhuǎn)化為其他類型的量子場(chǎng),如電磁場(chǎng),強(qiáng)相互作用場(chǎng),弱相互作用場(chǎng)等。這些量子場(chǎng)對(duì)應(yīng)于我們所知道的基本粒子和力,如光子,夸克,輕子等。這些粒子在極高的溫度下不斷地碰撞和反應(yīng),形成了一個(gè)叫做夸克-膠子等離子體的狀態(tài)。這個(gè)過程叫做再加熱,它使得宇宙重新變得非常熱。
?- 第三步:從再加熱到核合成。隨著宇宙繼續(xù)膨脹和冷卻,夸克-膠子等離子體逐漸變成了普通的原子核和電子等離子體。在這個(gè)過程中,發(fā)生了一些重要的相變和對(duì)稱性破缺現(xiàn)象,如夸克禁閉相變,電弱相變等。這些現(xiàn)象會(huì)產(chǎn)生一些特殊的效應(yīng),如重整化群流動(dòng),自發(fā)對(duì)稱性破缺等。在這個(gè)階段,也發(fā)生了一些重要的物理過程,如原初核合成,重子不對(duì)稱性產(chǎn)生等。原初核合成是指在宇宙中形成了最輕的幾種元素,如氫,氦,鋰等。重子不對(duì)稱性產(chǎn)生是指在宇宙中形成了一個(gè)微弱的物質(zhì)和反物質(zhì)的不平衡,這是為什么我們今天看到的宇宙主要是由物質(zhì)而不是反物質(zhì)組成的原因。
?- 第四步:從核合成到再聯(lián)合。當(dāng)宇宙溫度降到約3000K時(shí),電子和原子核開始結(jié)合成為中性原子,這個(gè)過程叫做再聯(lián)合。在這之前,宇宙中充滿了自由的電子和光子,它們不斷地散射和吸收,使得宇宙呈現(xiàn)一種不透明的狀態(tài)。在再聯(lián)合之后,電子被束縛在原子中,光子就可以自由地傳播,使得宇宙變得透明。這些光子就形成了我們今天觀測(cè)到的宇宙微波背景輻射,它是一種幾乎均勻且具有黑體譜的輻射,其溫度約為2.7K。宇宙微波背景輻射是研究宇宙起源和演化的最重要的證據(jù)之一。
?- 第五步:從再聯(lián)合到結(jié)構(gòu)形成。在再聯(lián)合之后,宇宙進(jìn)入了一個(gè)相對(duì)平靜的時(shí)期,叫做暗時(shí)代。在這個(gè)時(shí)期,除了微弱的引力作用外,沒有其他明顯的物理過程發(fā)生。然而,引力作用卻在慢慢地改變著宇宙的結(jié)構(gòu),使得原來均勻的物質(zhì)分布產(chǎn)生了微小的密度擾動(dòng)。這些擾動(dòng)隨著時(shí)間的推移逐漸增長(zhǎng),并最終導(dǎo)致了第一代恒星和星系的形成。這些恒星和星系發(fā)出了強(qiáng)烈的紫外線和X射線輻射,使得周圍的氫氣重新被電離,并形成了復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。這個(gè)過程叫做再電離,它標(biāo)志著暗時(shí)代的結(jié)束和結(jié)構(gòu)形成時(shí)代的開始。從這以后,宇宙中就出現(xiàn)了各種各樣的天體和結(jié)構(gòu),如恒星,行星,黑洞,星系,星系團(tuán)等,并且不斷地演化和相互作用。這就是我們今天所看到的現(xiàn)有宇宙。