大爆炸的自然史

人们常常问到，大爆炸之前存在着什么？宇宙最终会膨胀成什么样子？然而“大爆炸之前”这个概念几乎是没有意义的，因为时间本身是在大爆炸之后产生的。如果空间就如时间一样，是在大爆炸中产生的，而且如果空间本身就处在膨胀中，那它并不需要膨胀形成任何东西。

宇宙从产生的那一刻开始就处在不断演化中，而理论物理学家和宇宙学家已经给出了关于这些事件可能次序的描述，这也就是我们所知的宇宙的形成过程。

核1015K 1010K→当前的宇宙平均温度为3开（可由当前的宇宙背景辐射探测出来），但是最初要热得多。普朗克时间的末期，宇宙的温度为1032开。能量由光子所携带，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传播很远的距离——温度从那时开始逐步下降。

在最开始的一段时间，空间和时间仍在形成中，自然力组成了一种单一的、原始的超力。这就是我们所说的普朗克时间。到了第10-35秒时，空间已经膨胀到足以使温度降到1027开的程度，由具有极端能量的光子携带。引力已经成为了一种分离的力，大统一理论（GUT）力这时分离为强核力和弱电作用，伴随着夸克、轻子以及它们的反物质的迅速产生。这个过程在宇宙恢复它原先的膨胀速率前，经历了一个短暂却十分剧烈的膨胀阶段（持续了10-32秒）。在第10-12秒时，弱电作用分裂成电磁力和弱核力，于是所有的4种自然力现在都被分离和区分开来。宇宙里的粒子及其反粒子处在了稳定地形成与湮灭的状态，轻子分离成了中微子与电子。夸克依然独立存在。到第10-6秒时，夸克2个或3个一组结合了起来，形成了介子和重子（包括质子和中子）——因为在那个时刻夸克无法独立存在。它们的反粒子也发生了同样的情况，并且在那以后与物质发生湮灭，但是极少数的残余（每10亿个里有1个粒子）被遗留了下来，继续形成现今宇宙中的所有物质。到第1秒结束时，温度已经降到了1010开；5秒以后，中微子与反中微子不再与其他形式的物质发生相互作用。宇宙到达第10秒后，质子与中子开始结合形成氘核。在第1到第5分钟之间，强核力发挥主导作用，使中子和质子结合在一起形成氦核，并阻止中子衰变为质子和电子。宇宙中的氢和氦的比例就是这个时候确定下来的。大爆炸后大约30万年后，温度下降到了足够低的程度——约为3000开，从而电磁力使得电子被原子核所捕获。随着空间不再由自由电子的海洋所充斥，光子终于可以第一次在不与物质相互作用的情况下行进很长的距离——宇宙变得透明起来。在这个被称作是物质与能量去耦的时期，宇宙背景辐射被释放了出来。随着包含在宇宙中的物质上的辐射压的移除，原子开始受到引力的控制并集结形成巨大云团，宇宙的大尺度结构开始演化。

←在10-43秒之前，早期的宇宙（1）是无法描述的，但到达10-35秒后，两种自然力分离开来，并且最轻的粒子——夸克与轻子产生了（2）。到10-12秒时（3），所有的粒子都处于一种稳定地产生与湮灭的状态中；直到10-6秒（4），夸克开始结合在一起形成中子与质子，尽管几乎所有的这些粒子同样也在与它们的反粒子的碰撞中湮灭了，剩余的粒子形成了今天我们在宇宙中能够发现的物质（5）。很长时间以后，到大爆炸后15秒时，这些质子与中子结合在一起形成氘核（6），并且在几分钟后，氦核（两个质子与两个中子）产生了（7）。30万年以后，随着电子被原子核捕获（8），原子开始形成，而四种自然力中最弱的引力开始使宇宙成形，导致物质开始聚结形成云团并进而形成星系与恒星。

在宇宙背景微波辐射被释放到150亿年后的今天之间，宇宙膨胀了1000倍，而物质聚积并且浓缩形成了星系、恒星和行星。随着这些情况的发生，宇宙的温度继续下降。