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宇宙中的物质从何而来(真的是“无中生有”吗)

时间:2023-01-20

目前人类的可观测宇宙范围是900亿光年,在这个范围内的大部分区域都存在天体结构,只有少量的区域不存在物质,这些区域被我们称为宇宙空洞,而在900亿光

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银河系中存在千亿颗恒星,每颗恒星都有属于自己的恒星星系,而在银河系本身和其他49个星系共同组成了“本星系团”,在本星系团外还存在“超星团”“超星团复合体”等更加巨大的宇宙结构。

目前人类的可观测宇宙范围是900亿光年,在这个范围内的大部分区域都存在天体结构,只有少量的区域不存在物质,这些区域被我们称为“宇宙空洞”,而在900亿光年外,应该也存在大量的天体结构,那么宇宙中存在如此多的物质,它们从何而来?物质真的是凭空出现的吗?

首先我们要思考一个问题,我们观察到的物质是宇宙的全部吗?是否存在人类肉眼不可见的物质呢?如果这个问题在几百年前,就算是牛顿也无法解决,但是当时的科学家提出了“以太”的理论,用来解释一些能量移动的介质问题,以太是一种假想中的物质,这种物质充满宇宙,是光线和引力的介质。

随着爱因斯坦的理论,以太被逐渐放弃,但是科学家发现,宇宙中确实存在大量人类肉眼不可见的物质,因为这些物质不反射光,也不会自主的辐射光,因此人类无法观察,这些物质被称为 “暗物质”。

暗物质不属于当前人类发现的任何一种粒子,同时暗物质具有很高的稳定性,和宇宙空间的构成息息相关,暗物质占据宇宙总质量的26.8%,占据宇宙全部物质质量的85%,从这个角度来看,我们肉眼可见的物质反而是很小一部分。

那么宇宙中如此多的物质,究竟是从哪里来的?思考这个问题,必须从宇宙的诞生开始思考,目前最被科学家认可的宇宙模型是“大爆炸宇宙模型”,也就是我们常说的宇宙大爆炸理论,但是这个理论是最近几个世纪才被认可,在此之前,科学家都认为宇宙是绝对静止的。

“静态宇宙模型”被科学家认可了很多年,在这个宇宙模型中,宇宙没有起点,也没有终点,会永远保持近乎静止的稳定状态。这个宇宙模型很好地解决了“物质从哪里来”的问题,因为在这个宇宙模型中,宇宙永远存在,也不会发生变化。

可是随着科学的发展,我们逐渐发现宇宙并不像我们想象的那么简单,因为宇宙在不断的膨胀,周围的星系在不断远离我们,种种迹象都表明,宇宙不是一个静止的空间。

从宇宙大爆炸的理论来看,宇宙中的物质是怎么出现的呢?

01大爆炸和奇点

不论宇宙大爆炸理论是否正确,我们都可以从宇宙中的一些迹象判断出来,宇宙经历了一段从热到冷的变化过程,在这个过程中宇宙中才逐渐出现一些我们熟知的物质,并且随着宇宙的膨胀,宇宙中的物质分布逐渐从密集到稀疏,但是直到今天宇宙中的物质分布仍然很广泛,由此可以判断宇宙的年龄并不久。

造成这场大爆炸的是一个“奇点”,这个奇点体积无限小,却拥有无限的质量和温度,我们宇宙中的一切能量和物质都是从这个奇点中诞生的,因此严格的来说,物质并不能算是“无中生有”,而是在我们宇宙诞生之前就以某种形式存在(也就是奇点)。

那么“奇点”是怎么出现的?

这个答案只能是奇点从奇点本身出现,奇点就是一个能量子,它的存在就是宇宙的内禀属性,因此我们不用去考虑奇点从什么地方来,只需要知道奇点的状态已经随后的宇宙诞生就足够了,从广义相对论中对引力的解释,再结合量子隧穿和不确定原理,我们甚至可以认为宇宙就是在一个极其短暂的时间内,量子涨落而出的结果。

爱因斯坦还给出了这样一个概念——“质能等价”,也就是我们常说的质能方程,一切物质其实都可以转化成为能量,能量等于物质的质量乘于光速平方,因此从本质上来说,物质和能量没有区别,只是表现形式不同,对于宇宙来说,不论是我们肉眼可见的日月星辰,还是暗物质或者暗能量,代表的意义都相同。

宇宙大爆炸的瞬间产生的温度被我们称为“普朗克温度”,也就是宇宙历史上最高的温度,在这个温度下,除了引力之外的三个基本力都是一个整体,一切都在炙热的温度下呈现能量状态并且混为一体,在宇宙不断降温后,基本粒子才出现。

宇宙大爆炸30分钟后,我们熟悉的原子核比如“氢”“氦”开始出现,但是这个时候具体的物质结构还没有出现,在绝对的高温下,一切只能以流体的状态存在,这个时候的宇宙甚至没有光线。

直到宇宙大爆炸30万年后,宇宙平均温度大约为3000度,这个时候宇宙才出现了第一束光,我们熟知的物质结构和星体结构才逐渐出现。

因此宇宙中的物质并不是无中生有,而是从奇点爆炸的能量降温后转化而来。

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