宇宙最熱時是什么樣的？

郎思策

宇宙什么時候最熱？

我們的宇宙中充滿了恒星和星系，它們都不是靜態的，整個宇宙也不是靜態的。遙遠的星系在引力的作用下集聚，不斷成群、成簇，它們構成了我們這個不斷擴展的宇宙的一部分。同時，這些星群、星簇彼此之間也在以一定的速度遠離。隨著宇宙的擴展，在空間中的每一個光子的波長都會被拉伸，于是這些星群、星簇不僅變得越來越稀疏，也越來越冷。

但這意味著，如果時光倒流，我們回到宇宙的過去，會發現宇宙不僅比它現在密度更大，而且比它現在溫度更高。如果我們繼續往更早的時間追溯（直到我們知道的最早時刻），那么我們就來到了“大爆炸”之初——這絕對是宇宙最熱的時候。那將是什么樣的一種情況呢？

能量和物質轉化

在當今的宇宙中，粒子的存在都遵循一定的規則。

它們大多數具有質量，同時也存在相應的內部能量，這些能量與質量大小成正比。它們可以是物質（對應費米子），反物質（對應反費米子），也可以兩者都不是（對應玻色子）。但是也有一些粒子是無質量的，它們通常都是以光速在運動。

每當物質和相應的反物質相互碰撞時，它們就會自發湮滅，這時通常會產生兩個無質量的光子。如果你用足夠大的能量將任意兩個粒子碰撞在一起，就有機會創造新的物質和反物質粒子對。根據愛因斯坦的質能方程E=mc2，只要有足夠的能量，我們就可以將能量轉化為物質，反之，我們也可以將物質轉化為能量。

沒有質量的粒子

但是在宇宙早期，事情變得不是這樣了。

我們發現，在“大爆炸”的早期階段，在極高的能量條件下，（標準模型下的）每個粒子都是無質量的。在這些高溫下，希格斯對稱性會完全恢復（根據希格斯機制，對稱性在破缺時會使粒子產生質量）。

由于宇宙太熱了，不僅不能形成原子和原子核，而且連單個的質子和中子也不能形成。它這時就是一個高熱、高密度的等離子體，其中充滿了可能存在的粒子和反粒子。由于它能量太高，就連被稱為宇宙“隱身人”的中微子和反中微子，也比其他任何時候都更頻繁地變成其他粒子。

每微秒內，每個粒子都會撞擊萬億次，并且都在以光速運動。除了我們知道的粒子外，很可能還有我們今天不知道的其他粒子和反粒子存在。

最熱時能量有多大？

早期宇宙比我們在地球上能看到的任何東西都要熱得多，并且充滿能量。這些能量有多大呢？做個對比可以知道：它是最強的宇宙射線的100萬倍，是大型強子對撞機能量的10億倍。

隨著宇宙的膨脹，宇宙的溫度不斷下降。

在這么強大的能量下，也許以下這些粒子早已產生，比如：超對稱粒子、大統一理論預測的粒子、構成我們目前認為的最小粒子的粒子、重型右旋中微子、各種的暗物質候選粒子……只是我們無法知道。

最熱時溫度有多高？

這是宇宙最熱的時候嗎？是的，有觀測證據可以證明這一點——這是宇宙從未有過的高熱和致密狀態，但它的溫度并不是無限高的。

這些證據就是今天我們觀察到的宇宙微波背景：來自大爆炸余下的輻射光。它們是2.725K的波，在宇宙中均勻分布，只有僅幾十或幾百微開爾文的波動。通過這些漲落的頻譜和幅度，我們知道，宇宙在大爆炸最早、最熱的階段，其溫度是有一個上限的。

在物理學中，（所有的一切）最高的能量在普朗克尺度上，大約為1019GeV（1GeV是將一個電子加速到十億伏特的電位所需的能量）。超出這個能量，我們的物理定律將變得沒有意義。

根據宇宙微波背景下的波動圖，我們發現，宇宙并未達到最高溫度（即1019GeV）。該波動圖表明，我們宇宙曾經達到的最高溫度僅為1016GeV，只有理論上普朗克尺度下溫度的千分之一。換句話說，宇宙具有可以達到的最高溫度，并且遠低于普朗克尺度。

不同區域溫度變化

宇宙微波背景不僅告訴了我們大爆炸達到的最高溫度，還為我們提供了更多信息——比如，它告訴我們，形成今天宇宙結構的“種子”，是什么時候埋下的。

宇宙某一個區域之所以會冷卻，是因為這個區域相對于其他區域密度較高，致使引力也相對較大，光線從引力勢能較高的這些地方跑了出來。相應地，熱的區域，都來自密度低于平均密度的地方。

隨著時間的流逝，這些冷卻下來的地方將成長為星系、星團和星系團，并將逐漸形成巨大的宇宙網。而那些熱的地方，會在源源不斷地把它們的物質交給溫度更低、密度更高的區域后，在數十億年的時間里，演變成巨大的宇宙空隙。

最高溫度是短暫的

早期宇宙達到了最高溫度（1016GeV）的時候，它的溫度就會立即開始下降。

這是因為宇宙一直在膨脹。而每當宇宙膨脹時，隨著空間結構的伸展，其中的波長（波完成一個振蕩所需的距離）也隨之伸長，從而使輻射的能量越來越低。較低的能量對應較低的溫度，因此隨著時間的流逝，宇宙不僅密度會降低，而且熱量也會降低。

隨著時間的流逝，不斷擴展和冷卻的宇宙將產生大量的變化，慢慢地，宇宙的結構和形態被創造出來了。