宇宙的演化

             

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   宇宙演化可以大约分为两个时期,(详见表 1 1),从创世之初($t=0$)到创世后 3 分钟我们可以称为前物质时期.这个时期可以大致分为两个时期:从宇宙诞生后到 $10^{-43}$ 秒,此时宇宙沐浴于 $10^{18} \,\mathrm{GeV} $ 的高温中,四大相互作用被统一在一起.随后到 $10^{-34}$ 秒宇宙在高温中经历暴涨(Inflation),宇宙尺度因子迅速扩大(详见图 1 2).在暴涨快结束时超对称破缺,宇宙中的重元素开始产生.

表1:宇宙大事记(问号表示理论尚未给出合理解释)
时间 能量
普朗克时间奇点? $ < 10^{-43} \,\mathrm{s} $ $10^{18} \,\mathrm{GeV} $
弦论尺度? $ > 10^{-43} \,\mathrm{s} $ $ < 10^{18} \,\mathrm{GeV} $
超统一? $\sim 10^{-36} \,\mathrm{s} $ $10^{15} \,\mathrm{GeV} $
暴涨开始? $ > 10^{-34} \,\mathrm{s} $ $ < 10^{15} \,\mathrm{GeV} $
超对称破缺? $ < 10^{-10} \,\mathrm{s} $ $ > 1 \,\mathrm{TeV} $
重元素产生? $ < 10^{-10} \,\mathrm{s} $ $ > 1 \,\mathrm{TeV} $
电弱统一时期 $10^{-10} \,\mathrm{s} $ $1 \,\mathrm{TeV} $
夸克-强子转换时期 $10^{-4} \,\mathrm{s} $ $10^2 \,\mathrm{MeV} $
核子冷却 $0.01 \,\mathrm{s} $ $10 \,\mathrm{MeV} $
中微子退偶 $1 \,\mathrm{s} $ $1 \,\mathrm{MeV} $
大爆炸原核初合成 $3 \,\mathrm{min} $ $0.1 \,\mathrm{MeV} $
物质-辐射密度相等 $10^4 \,\mathrm{yrs} $ $1 \,\mathrm{eV} $
再融合 $10^5 \,\mathrm{yrs} $ $0.1 \,\mathrm{eV} $
宇宙黑暗时期 $10^5 - 10^8 \,\mathrm{yrs} $
再电离 $10^8 \,\mathrm{yrs} $
星系形成 $\sim 6 \times 10^{8} \,\mathrm{yrs} $
暗能量 $\sim 10^9 \,\mathrm{yrs} $
太阳系形成 $ \sim 8 \times 10^{9} \,\mathrm{yrs} $
图
图 1:宇宙尺度及成分表

   从 $10^{-10}$ 秒到宇宙诞生后 3 分钟,宇宙暴涨结束,宇宙从 $1 \,\mathrm{TeV} $ 迅速逐渐冷却到 $0.1 \,\mathrm{MeV} $.在此期间暴涨所释放的能量把宇宙重新加热,宇宙中的电弱相互作用开始分离,夸克结合成强子,中子冷却下来,宇宙中的核子开始在相互作用下结合并形成,称为原核初合成(BBN);中微子在创世后 1 秒与其他核子退耦并此后不再与其他物质产生相互作用,一直传播到现在.此时,宇宙开始以辐射为主导,我们也称为辐射主导时期的开始,此外,宇宙中的原初扰动和引力波开始形成.

图
图 2:宇宙成分变化

   从创世后 3 分钟到现在,我们可以称为后物质时期.我们也可以把这个时期大致地分为两个时期:从宇宙诞生后 3 分钟到 380.000 年,宇宙一直以辐射为主导(详见图 2 3).随着宇宙的膨胀光子和物质从密度对等逐渐分离,且光子、物质和原初引力波进行充分的相互作用称为再融合(recombination),光子逐渐冷却下来形成宇宙辐射背景(CMB),期间暗物质开始形成.

   从宇宙诞生后 $380.000$ 年到现在,宇宙进入物质主导时期,另一部分光子形成了宇宙辐射背景并随着时间演化到现在,一部分光子和原初引力波相互作用后成为 B-模极化光子; 一部分原初引力波和中微子并不参与到相互作用中,并随着时间演化直到现在.在此期间,各大星系形成于创世后 $10^8$ 年之后,太阳系形成于 $8 \times 10^{9} $ 年.


1. ^ 翻译自 Daniel Baumann,TASI Lectures on Inflation, arXiv:0907.5424,1.2 节,Table1
2. ^ 引自 Daniel Baumann,TASI Lectures on Inflation, arXiv:0907.5424,1.2 节,Figure2
3. ^ 引自 Daniel Baumann,Cosmology,Perface,Figure 1

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