🦃 👨🏼‍⚖️ 🌨️ 问伊桑第76号：一个非常早期的宇宙 🎁 💉 👩🏻‍🤝‍👨🏿

当一切都变得如此炎热以至于物质和反物质自发形成时，会发生什么？

从相对论的特殊理论出发，质量和能量是同一事物的不同表现形式-一个普通人不熟悉的概念。
-爱因斯坦

每个星期，您都有机会发送问题和建议，成为我们每日专栏的明星。感谢韦恩·金（Wayne King），本周我们被带到了大爆炸的最早阶段，他问：

有一个我们鲜为人知的时期，这是is灭粒子和反粒子的时期。它是质子和正电子意义上的“问题”吗？中子怎么了？还是来自量子色动力学领域的某种形式的压缩能量？她是怎么出现的？歼灭过程中还剩下什么吗？释放了多少能量，它去了哪里？
大多数作者只限于一般性退订，来描述该主题。

韦恩在说什么？让我们从宇宙的当前状态开始，然后按快退。

如今的宇宙充满了由巨大的银河结构绑在一起的恒星，这些恒星大规模地分为群，星团和相交的线。在我们可以观察到的部分中，至少有数千亿个星系散布在数百亿光年的距离上。

但是宇宙是如何变成这样的呢？它从更密集，压缩，均匀和炎热的状态扩展。现在，由于宇宙已经发展了很长时间，所以一切都分散了。

通过回溯，我们发现当今并不十分重要的参数-宇宙温度仅为2.7 K-对宇宙的影响越来越大。在低密度和低能量的情况下，如果您仍在使用带天线天线的模拟电视，这些剩余的光子不会影响任何东西，它们只会以“雪”的形式出现在第三频道上。

但是，当宇宙年轻，变小时，这些光子不仅密度更高，因为宇宙的体积更小，而且更热，因为光子的波长决定了它的能量。往回推，我们将看到微波辐射如何变成红外线，温度从绝对零以上的几度升高到两位数，三位数，然后超过室温，水的沸点，并开始与燃烧恒星的温度竞争。在某个时刻，一切都变得如此炎热，甚至中性原子也无法形成，因为形成它们的电子被光子海洋从轨道上击落了。

如果再回绕一点，我们将到达无法形成原子核的时刻，因为原子核被分为独立的质子和中子。结果，我们可以走得很远，因为宇宙只有一秒钟的历史，而光子却充满了能量，物质和反物质可以自发出现。在宇宙膨胀和冷却之前，经历了这个阶段，这仅仅是物质，反物质和辐射的“汤”，其中物质和反物质自发地an灭，通过物质的自发出现和纯能量的反物质来平衡。。爱因斯坦最著名的方程E = mc ²双向起作用。

您的能量越高，可以自发产生的颗粒对越重。当宇宙中的平均能量足够大以产生成对的真-反真夸克（已知最重的粒子）时，它们回退到足够远的地方，我们将看到光子的数量比现在少得多。

怎么了

这是因为粒子-反粒子对可以消除两个光子的形成，并且在足够高的能量下，光子可以与粒子-反粒子对的出现相互作用！

尽管今天有一定数量的光子，但可以想象一下标准模型中所有的基本粒子，无论是质量粒子还是无质量粒子。所有六个夸克和反夸克，各三个颜色，三个带电轻子，三个中微子，连同它们的反粒子，八个胶子，三个弱玻色子，一个光子和一个希格斯玻色子，所有允许的自旋构型。

这种能量不仅是光子，而且还平均分布在所有类型的粒子中。（根据Maxwell-Boltzmann能量分布和相关统计数据：费米-狄拉克代表费米子，玻色-爱因斯坦代表玻色子）。当能量和温度足够高时，粒子/反粒子的the灭始终发生，但频率与粒子/反粒子的产生相同。

随着宇宙的膨胀和冷却，the灭频率降低，因为粒子很难找到其反粒子，但产生频率下降得更多-能量降至产生所需的阈值以下，结果成对产生的频率呈指数下降。

幸运的是，几乎所有事物都是不稳定的，所以这是宇宙从“海洋”状态（依次）膨胀和冷却（按顺序）时发生的情况，在这种状态下，一切（各种粒子和反粒子）都充分漂浮：

成对的真-反真夸克不再出现，其余的则消灭或衰减。
希格斯玻色子对不再出现，剩余的an灭或衰变。这大致与违反电弱对称性相吻合。
Z_0不再自发出现，其余大多数衰减。
W + / W-对不再出现，其余大多数对衰减。
低/反低，tau / antitau对，迷住/反迷惑的夸克不再出现，其余的消灭和/或衰变。

在所有情况下，更大质量的粒子的hil灭或衰减都会导致所有剩余粒子的发热。

然后有趣的事情发生了：在宇宙冷却到下一个阈值以停止产生奇/反奇怪的夸克之前，它变得足够薄且足够冷，可以从夸克-胶子等离子体移动到单个重子（三个夸克的组合），反重子（三个反夸克的组合）和介子（夸克和反夸克的组合）。在这里首先发生限制。

此后，发生以下an灭和衰减：

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此时，宇宙中只剩下少量的质子和中子，大量的电子和正电子对，中微子/反中微子和光子。是的，暗物质，无论其成分是什么（并且一直存在），根据我们的假设，暗物质均不会与其他粒子发生相互作用。

您可以决定接下来发生电子/正电子an灭，但首先发生另外两个事件。

首先，质子和中子起着博弈的作用：质子试图与电子结合形成中子和中微子，中子和中微子试图向相反的方向运动，从而产生质子和电子。而且，质子和反中微子可以结合并产生中子和正电子，并且逆反应也是可能的。在我们的历史上是一个不错的时间间隔的几毫秒内，这些反应以相同的频率发生。但是随着能量和温度的降低，质子和中子之间的微小质量差异开始受到影响，与由质子产生中子的反应相比，由中子产生质子的反应变得容易一些。到宇宙年龄接近第二时，其中的质子与中子的比例从50/50变为85/15，有利于质子。

然后，弱相互作用（使中微子与其他类型的粒子交换能量，并使光子与中子之间发生跃迁的相互作用）被冻结。这意味着中微子和反中微子的相互作用，能量和有效截面的频率变得太小，无法参与太空中发生的反应。到目前为止，电子/正电子，中微子/反中微子和光子都从a灭中获得了一定比例的能量。但是当中微子和反中微子冻结时，它们停止参与此游戏。

因此，当an灭的最后阶段发生时，当宇宙冷却以致不再产生电子/正电子对时，只需an灭，留下足够的电子来补偿质子的电荷），它们会将所有能量合并到光子中，而不是中微子中。和抗中微子。

因此，微波宇宙背景辐射的温度-大爆炸后留下的光子背景-的测量温度为2.725 K，其余中微子的背景温度应在1.95 K的范围内，或更准确地讲，应为光子温度的（4/11）^1/3。

也正因为如此-在经过三分钟的微调之后-剩余的中微子部分衰减了，从而使质子与中子的比率提高到〜87.6 / 12.4。在此步骤中，光子最终充分冷却，从而开始形成比氢重的第一元素-大爆炸的核合成。这就是为什么在大爆炸之后我们得到如此精确的氢和氦比率的原因：因为所有这些粒子在宇宙早期都起着作用。

我希望有一天能通知您有关中微子宇宙背景的发现。上个月在AAS会议上宣布了他的发现，但有关该主题的工作尚未出现。我认为我已经带来了尽可能多的信息，以免使您成为理论物理学家，并且我希望本文能够很好地平衡您的需求。到目前为止，这是有关宇宙中粒子出现及其在热大爆炸早期，然后在冷却，an灭和衰变过程中的行为的故事中最好的。

谢谢您提出了一个很好的问题，我希望您和其他人都可以清楚地理解。向我发送您对以下文章的问题和建议。

问伊桑第76号：一个非常早期的宇宙

当一切都变得如此炎热以至于物质和反物质自发形成时，会发生什么？

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