物质的最小单位
要了解这个问题,我们需要先了解一下,物质到底是如何构成的?
上初中的时候,老师会说,物质是由分子构成的,分子则是由原子构成的。原子内有电子和原子核,而原子核还能继续再分构成质子和中子。甚至上到高中也就大概讲到这么多。实际上,质子和中子也是可以再分得,比质子还要小的是夸克,三个夸克可以构成一个质子。不过,电子其实没办法再分了,因此,电子和夸克是基本粒子。
所以,当我们问宇宙中的物质从哪里来,实际上,我们可以把这个问题转化成构成物质的粒子是从哪里来,也就是夸克,电子,中子,质子这些粒子是如何来的。其实这些物质粒子都是形成于宇宙诞生之初的。那具体咋回事呢?
物质粒子的形成
根据普朗克卫星最新的观测数据,我们知道宇宙诞生于138亿年前,起源于一次大爆炸。大爆炸之后,宇宙的空间剧烈的膨胀,温度开始降低。
而早期的宇宙其实类似于一锅能量汤,内部充满了能量,而夸克,中微子这类的粒子也就是在这个时候形成的,但它们的形成机制目前我们还不得而知。那电子以及其他粒子呢?
我们都知道,粒子都有自己的反粒子,质子的反粒子就是反质子,电子的反粒子就是正电子。如果一个电子和一个正电子对撞,那就会发生湮灭,原本一对电子的质量等价于相对应的能量,最终以能量的形式释放出来。
(这里可以利用爱因斯坦的质能方程E=mc^2进行等价。)
而光子的反粒子就是它本身,如果一对光子对撞,在一般的条件下根本不会发生什么。但如果一堆光子所具有的的能量要大于一对正电子和电子所具有的的能量。(这里依旧是利用质能等价进行换算得到来比较。)只不过,这种高能的光子需要非常高的环境温度,就拿一对光子对撞产生一对电子来说,至少需要在60亿度左右才可以实现。而其他粒子的形成也类似于这样,只不过所需要的温度条件不太一样。
不过,这里也有一个问题,那就是光子对撞之后产生的是一对正反粒子。而每10亿对质子和反质子还会对撞,发生湮灭,同时释放出大量的能量,整个过程循环往复,唯一不同的就是,每10亿对还会留下一个质子(正物质),同样的,每十亿对正电子和电子的湮灭,还会留下一个电子,至于为什么会这样,现在还没有搞清楚。也正因为这个原因,我们现在的宇宙才是一个正物质主导的宇宙,如果没有10亿分之一的幸存者,可能宇宙中也就不会有物质粒子,也就不会有物质了。
说句题外话,如今宇宙中的物质粒子,都是10亿分之一的幸存者,而物质由粒子构成,也就是说,宇宙中的物质其实是10亿分之一的幸存者集合。
当这些物质粒子形成之后,宇宙由于还在继续膨胀,因此温度还在逐渐下降,此时的宇宙其实像一锅粒子汤,其中充满了各种粒子,比如:电子,光子,原子核等等。但是还没有原子结构。
后来,随着温度的继续降低,大概在宇宙大爆炸之后的38万年,也就是宇宙38万岁时,宇宙的温度降到了3000度左右,这之后原子核俘获了电子,形成了原子结构,而光子也摆脱了束缚,开始在宇宙中传播,这也就是宇宙大爆炸的余热,被我们称为宇宙微波背景辐射,目前我们还可以通过探测器观测到。
也就是说,从这个时候,宇宙中开始有了完整的原子结构,而原子后来构成了各类的天体。不过,此时的原子主要是氢原子和氦原子,原子序更大的元素原子(≤铁元素原子序数)其实是在恒星内核当中通过核聚变反应形成的,而大于铁元素原子序数的元素是通过超新星爆炸和中子星合并而形成的。而各种元素的原子就构成了如今地球上各种不同的物质。