大爆炸的自然史

人們常常問到，大爆炸之前存在著什么？宇宙最終會膨脹成什么樣子？然而“大爆炸之前”這個概念幾乎是沒有意義的，因為時間本身是在大爆炸之后產生的。如果空間就如時間一樣，是在大爆炸中產生的，而且如果空間本身就處在膨脹中，那它并不需要膨脹形成任何東西。

宇宙從產生的那一刻開始就處在不斷演化中，而理論物理學家和宇宙學家已經給出了關于這些事件可能次序的描述，這也就是我們所知的宇宙的形成過程。

核1015K 1010K→當前的宇宙平均溫度為3開（可由當前的宇宙背景輻射探測出來），但是最初要熱得多。普朗克時間的末期，宇宙的溫度為1032開。能量由光子所攜帶，但是早期的宇宙十分致密，以至于光子在被再次吸收之前不能傳播很遠的距離——溫度從那時開始逐步下降。

在最開始的一段時間，空間和時間仍在形成中，自然力組成了一種單一的、原始的超力。這就是我們所說的普朗克時間。到了第10-35秒時，空間已經膨脹到足以使溫度降到1027開的程度，由具有極端能量的光子攜帶。引力已經成為了一種分離的力，大統一理論（GUT）力這時分離為強核力和弱電作用，伴隨著夸克、輕子以及它們的反物質的迅速產生。這個過程在宇宙恢復它原先的膨脹速率前，經歷了一個短暫卻十分劇烈的膨脹階段（持續了10-32秒）。在第10-12秒時，弱電作用分裂成電磁力和弱核力，于是所有的4種自然力現在都被分離和區分開來。宇宙里的粒子及其反粒子處在了穩定地形成與湮滅的狀態，輕子分離成了中微子與電子?？淇艘廊华毩⒋嬖凇５降?0-6秒時，夸克2個或3個一組結合了起來，形成了介子和重子（包括質子和中子）——因為在那個時刻夸克無法獨立存在。它們的反粒子也發生了同樣的情況，并且在那以后與物質發生湮滅，但是極少數的殘余（每10億個里有1個粒子）被遺留了下來，繼續形成現今宇宙中的所有物質。到第1秒結束時，溫度已經降到了1010開；5秒以后，中微子與反中微子不再與其他形式的物質發生相互作用。宇宙到達第10秒后，質子與中子開始結合形成氘核。在第1到第5分鐘之間，強核力發揮主導作用，使中子和質子結合在一起形成氦核，并阻止中子衰變為質子和電子。宇宙中的氫和氦的比例就是這個時候確定下來的。大爆炸后大約30萬年后，溫度下降到了足夠低的程度——約為3000開，從而電磁力使得電子被原子核所捕獲。隨著空間不再由自由電子的海洋所充斥，光子終于可以第一次在不與物質相互作用的情況下行進很長的距離——宇宙變得透明起來。在這個被稱作是物質與能量去耦的時期，宇宙背景輻射被釋放了出來。隨著包含在宇宙中的物質上的輻射壓的移除，原子開始受到引力的控制并集結形成巨大云團，宇宙的大尺度結構開始演化。

←在10-43秒之前，早期的宇宙（1）是無法描述的，但到達10-35秒后，兩種自然力分離開來，并且最輕的粒子——夸克與輕子產生了（2）。到10-12秒時（3），所有的粒子都處于一種穩定地產生與湮滅的狀態中；直到10-6秒（4），夸克開始結合在一起形成中子與質子，盡管幾乎所有的這些粒子同樣也在與它們的反粒子的碰撞中湮滅了，剩余的粒子形成了今天我們在宇宙中能夠發現的物質（5）。很長時間以后，到大爆炸后15秒時，這些質子與中子結合在一起形成氘核（6），并且在幾分鐘后，氦核（兩個質子與兩個中子）產生了（7）。30萬年以后，隨著電子被原子核捕獲（8），原子開始形成，而四種自然力中最弱的引力開始使宇宙成形，導致物質開始聚結形成云團并進而形成星系與恒星。

在宇宙背景微波輻射被釋放到150億年后的今天之間，宇宙膨脹了1000倍，而物質聚積并且濃縮形成了星系、恒星和行星。隨著這些情況的發生，宇宙的溫度繼續下降。