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在說(shuō)今天的內(nèi)容之前,，我們先考慮這樣一個(gè)問(wèn)題,，如果給一坨水不斷的加熱會(huì)怎么樣？先被汽化,，然后呢,？水分子的化學(xué)鍵會(huì)被打破，變成氧原子和氫原子,，那繼續(xù)加熱呢,？ 氧原子和氫原子中的電子會(huì)因?yàn)楂@得了足夠的動(dòng)能脫離原子核的束縛，變成自由電子，這時(shí)就會(huì)剩下一個(gè)帶正電的原子核,。  氫的原子核就是一個(gè)質(zhì)子,，而氧的原子核是一個(gè)由8個(gè)質(zhì)子和8個(gè)中子構(gòu)成的束縛結(jié)構(gòu)，那么有沒(méi)有可能把它們也拆解開(kāi)呢,？ 有,！繼續(xù)加熱，或者說(shuō)繼續(xù)提供能量,，當(dāng)提供的能量大于原子核的結(jié)合能時(shí),，原子核就會(huì)被分解為單個(gè)質(zhì)子和中子，當(dāng)然電離原子核的能量一般是電離原子,、分子能量的數(shù)百萬(wàn)倍,。這是因?yàn)槭`原子核的強(qiáng)力要比電磁力大得多。 那么此時(shí)一坨水就會(huì)因?yàn)槟芰康牟粩嘣黾?，變成自由質(zhì)子,、自由中子和電子組成的等離子體。  由于萬(wàn)物都是由這三種粒子構(gòu)成的,，所以不管啥東西,，只要給他足夠的能量，都能將它電離成這三種自由粒子,。那么人也一樣,，你也可以把一個(gè)人電離成質(zhì)子、中子和電子,。 好,，那么有了以上的知識(shí)，我們就把目光放回整個(gè)宇宙,。上節(jié)課我們說(shuō)了,，按照宇宙膨脹的反推，宇宙在過(guò)去的時(shí)候,，物質(zhì)和輻射的密度會(huì)更高,，除此之外輻射的波長(zhǎng)還會(huì)更短，總的來(lái)說(shuō),，輻射能量密度的增加,，要比物質(zhì)能量密度的增加要快。 比如說(shuō),，當(dāng)宇宙的體積只有今天的10%的時(shí)候,，物質(zhì)的密度會(huì)比今天高1000倍，輻射的密度也比今天要高1000倍,，但由于輻射的波長(zhǎng)又比今天短了10倍,，所以總的來(lái)說(shuō)輻射的能量密度會(huì)比今天高10000倍。  可以看出來(lái)，越是早期的宇宙,，它的體積越小,、密度越高、溫度越高,，輻射能量在其中占主導(dǎo)地位,。 所以伽莫夫就想，在早期的宇宙一定有一個(gè)時(shí)刻,，是不能形成中性原子的,，因?yàn)楣庾拥哪芰繒?huì)電離任何中性原子,，此時(shí)的宇宙就是一個(gè)由原子核,、電子、輻射粒子構(gòu)成的等離子體,。 同樣的,，只要溫度足夠高，達(dá)到幾十億攝氏度,，那么原子核也不能穩(wěn)定的存在,，它也會(huì)被電離為質(zhì)子和中子。  如果宇宙的溫度繼續(xù)升高,，達(dá)到幾百億攝氏度,，那么此時(shí)的宇宙不僅僅有質(zhì)子、中子和電子了,，兩個(gè)光子相撞以后就會(huì)誕生“粒子和反粒子對(duì)”,。所以這時(shí)的宇宙中就會(huì)出現(xiàn)反質(zhì)子、反中子和正電子,。 由于正反粒子電荷不同,，所以兩個(gè)正反粒子對(duì)會(huì)相互湮滅掉變成兩個(gè)光子，兩個(gè)光子相撞以后又會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)正反粒子對(duì),，如果宇宙一直處在這種高能量水平的話,，那么宇宙就會(huì)一直保持正反粒子對(duì)不斷的創(chuàng)生，然后不斷的湮滅,。一直重復(fù)這種無(wú)聊的過(guò)程,，當(dāng)然我們看到的世界也就不會(huì)誕生了。  但是我們的宇宙一直在膨脹,，一直在冷卻,，而且早期膨脹的還非常快,，所以宇宙冷卻得也快,，大約1秒以后，宇宙的溫度就會(huì)下降到100億攝氏度左右，在這個(gè)溫度下,，兩個(gè)光子相撞以后就不能誕生正反粒子對(duì)了,。 但之前產(chǎn)生的正反粒子對(duì)依舊可以湮滅成兩個(gè)光子，按理來(lái)說(shuō),，我們認(rèn)為正反粒子對(duì)的數(shù)量應(yīng)該是對(duì)稱的,，那么正反粒子湮滅以后宇宙中應(yīng)該不會(huì)存在任何物質(zhì)了，只會(huì)留下大量的光子,，和少量幸存的質(zhì)子,、反質(zhì)子、中子,、反中子,、電子和正電子，當(dāng)然還有一些正反中微子,。 這些粒子能夠幸存下來(lái),，是因?yàn)樗鼈冞€來(lái)不及湮滅，就被膨脹的空間拉到了很遠(yuǎn)的距離,，互相見(jiàn)不著對(duì)方了,，所以才沒(méi)有湮滅，但可以肯定的是,，幸存的這些粒子,，不足以構(gòu)成任何物質(zhì)結(jié)構(gòu)，也就是說(shuō),，按我們現(xiàn)在的理解,，宇宙中不應(yīng)該存在任何恒星、星系,、星系團(tuán)之類的結(jié)構(gòu),，應(yīng)該是啥也沒(méi)有。  但真實(shí)的情況很明顯,，宇宙中不僅有你還有我,，而且我們都是正粒子構(gòu)成的，這說(shuō)明反粒子當(dāng)年被湮滅完了,，還剩下了大約1/10億的正粒子,，構(gòu)成了我們今天的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。 這意味著當(dāng)年正反粒子數(shù)量并不對(duì)稱,，這是我們今天所不能理解的,，關(guān)于這個(gè)問(wèn)題我們后面在說(shuō)道反物質(zhì)的時(shí)候會(huì)詳細(xì)地說(shuō)，這里就暫時(shí)略過(guò),，我們接著說(shuō),，剩下的正物質(zhì)后來(lái)都發(fā)生了啥事,。 雖然剩下的物質(zhì)不多，但對(duì)我們來(lái)說(shuō)非常重要,，這些質(zhì)子,、中子和電子都是構(gòu)成你和我的關(guān)鍵原材料。  在正反物質(zhì)湮滅以后,，留下的質(zhì)子和中子暫時(shí)還不能結(jié)合在一起,，因?yàn)闇囟冗€有點(diǎn)高，但這時(shí)質(zhì)子和中子之間還發(fā)生著其他的反應(yīng),。 比如說(shuō),，一個(gè)質(zhì)子和電子撞在了一起就會(huì)變成中子和中微子，當(dāng)然一個(gè)中子和中微子撞在了一起,，反過(guò)來(lái)就會(huì)變成質(zhì)子和電子,。 也就是質(zhì)子和中子這時(shí)可以相互轉(zhuǎn)化，所以我們認(rèn)為在很短的時(shí)間內(nèi),，也就大約1/3秒吧,，質(zhì)子和中子的數(shù)量是相等的,，當(dāng)然這個(gè)時(shí)候的宇宙也有和質(zhì)子數(shù)量相等的電子,，因?yàn)樗鼈儽仨毐ＷC整個(gè)宇宙是電中性的。 當(dāng)然質(zhì)子和中子的相互轉(zhuǎn)化并不能持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間,，因?yàn)橛钪嬖诓粩嗟睦鋮s,，最先停止的反應(yīng)是，質(zhì)子到中子的轉(zhuǎn)變,，因?yàn)橹凶拥馁|(zhì)量比質(zhì)子的質(zhì)量多了0.138%,。  所以質(zhì)子想要變成中子它需要更多的能量，而中子變成質(zhì)子就要容易得多了,，所以在宇宙誕生后的3秒鐘，質(zhì)子和中子的數(shù)量就不對(duì)稱了，從剛才的各占一半,，變成了現(xiàn)在的85：15,，質(zhì)子比中子多了6倍。 那么此時(shí)宇宙誕生已經(jīng)過(guò)去了3秒鐘,，你可能會(huì)問(wèn)：這時(shí)的質(zhì)子能不能和中子結(jié)合在一起,，形成最輕的原子核，氘核呢,？ 能,，但是它們結(jié)合的速度遠(yuǎn)不如光子把它們炸開(kāi)的速度，所以說(shuō)溫度還是太高,，而且還有一個(gè)原因特別重要,，此時(shí)宇宙中光子的數(shù)量大約是質(zhì)子數(shù)量的10億倍,。 這意味著即使光子的平均能量已經(jīng)低于氘核的結(jié)合能了，氘核也不能穩(wěn)定的存在,，所以還需要耐心的等待,，等待宇宙繼續(xù)膨脹，繼續(xù)降溫,。  但問(wèn)題是,，質(zhì)子可以等，但中子等不了啊,，因?yàn)樽杂芍凶硬环€(wěn)定,，它的半衰期大約為15分鐘，在等待的過(guò)程中,，有些中子就不耐煩了,，它就會(huì)經(jīng)過(guò)β衰變，釋放出一個(gè)電子和反電子中微子,，變成一個(gè)質(zhì)子,。 那么等宇宙誕生以后的3分鐘，此時(shí)的溫度就降到了大約800萬(wàn)攝氏度,，氘核終于可以穩(wěn)定的存了,，但此時(shí)宇宙中的質(zhì)子和中子比變成了88：12。 在這之后大爆炸核合成終于開(kāi)始了,，一個(gè)質(zhì)子和中子會(huì)迅速的結(jié)合在一起形成氘核,，這樣的反應(yīng)非常快,，氘核可以和一個(gè)質(zhì)子結(jié)合,，形成氦-3，和一個(gè)中子結(jié)合就形成氚核,。經(jīng)過(guò)以上的反應(yīng)數(shù)量本來(lái)就不多的中子很快就被用完了,。  但這時(shí)的反應(yīng)并不會(huì)停止，因?yàn)楹?3和氚核會(huì)繼續(xù)和一個(gè)氘核結(jié)合在一起,，變?yōu)榉€(wěn)定的氦-4,，并且釋放出一個(gè)質(zhì)子和中子。 這樣穩(wěn)定的氦-4就在宇宙誕生之后不到4分鐘的時(shí)間里就大量的形成了,，這就解釋了為什么當(dāng)時(shí)人們觀察到宇宙中存在大量的氦-4,，僅僅通過(guò)恒星反應(yīng)是不可能存在這么多氦-4的。 那為什么宇宙中的比氦-4更重的元素卻少得可憐呢,？因?yàn)榇蟊ㄆ陂g的核合成在進(jìn)行到氦-4以后,，基本就停止了。 你看,，當(dāng)你給一個(gè)氦4里面加一個(gè)質(zhì)子的時(shí)候,，就會(huì)變成鋰5,，加一個(gè)中子就會(huì)變成氦5，但是這兩種元素都不穩(wěn)定,，在10∧-21秒,，一個(gè)極短的時(shí)間內(nèi)就會(huì)衰變回氦4。這條路走不通,。 當(dāng)你讓兩個(gè)氦4結(jié)合在一起,，形成鈹8的時(shí)候，你還來(lái)不及再給一個(gè)鈹8加入一個(gè)質(zhì)子,，或者是中子,，或者是在再加一個(gè)氦核，它就會(huì)在10^-16秒,，衰變回氦4,。 所以大爆炸核反應(yīng)就這樣停止了，主要的原因是,，宇宙降溫太快,，4分鐘以后，不管是溫度,、還是密度,，都不足以支撐核反應(yīng)繼續(xù)往下進(jìn)行了。  最終,，我們的宇宙就會(huì)留下75%的氫核,，25%的氦核,，這是按照質(zhì)量計(jì)算的比例,，如果按數(shù)量說(shuō)的話，就是92%的氫核,，8%的氦核,。這就是為什么宇宙中充滿了氫氣和氦氣，其他元素的含量還不到1%,。 即使是恒星燒了這么多年,，依然改變不了宇宙主要的組成成分，因?yàn)閺囊婚_(kāi)始我們的宇宙就是從氫和氦開(kāi)始的,。 以上的推演過(guò)程就是伽莫夫?qū)τ诖蟊ê撕铣傻念A(yù)言,， 這個(gè)預(yù)言已經(jīng)得到了觀測(cè)的證實(shí)，測(cè)量的過(guò)程大致是這樣的,，我們?cè)谟钪嬷锌吹迷竭h(yuǎn),，就意味著我們看到的宇宙越古老。 當(dāng)然我們就能在早期的宇宙中找到那些還沒(méi)有來(lái)得及形成恒星,，或者是還沒(méi)有被恒星污染的原始?xì)怏w云,，如果現(xiàn)在有一個(gè)類星體發(fā)出的光,，正好經(jīng)過(guò)了這個(gè)原始?xì)怏w云，我們現(xiàn)在分析類星體光譜中的吸收線,，就能夠知道原始?xì)怏w云中的成分了,。 觀測(cè)表明，我們的宇宙確實(shí)是從氫和氦開(kāi)始的,，而且所占比例和大爆炸預(yù)言吻合得非常好,。好了，今天的內(nèi)容就到這里,，這節(jié)課我們說(shuō)中性原子的形成,，以及微波背景輻射的預(yù)測(cè)。
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