宇宙创世：大爆炸暴胀与核合成过程

2025-09-30 理论教育版权反馈

【摘要】：暴胀最初的泡泡宇宙经历了一次极为快速的膨胀，天文学家们称之为暴胀，它发生在大爆炸10-36秒之时。暴胀结束时，能量开始转化为物质粒子，一场轰轰烈烈的创生运动开始，这就是通常所说的宇宙“大爆炸”。最初的核合成3分钟是大爆炸的另一个重要时标。至此，大爆炸创世的第一阶段完成。早期宇宙的重要创生阶段：年龄温度创生过程10-36秒1028开正反粒子创生0.000001秒1013开质子中子创

我们身体中最多的那一类原子直接来自大爆炸

无中生有

当回溯到极早期的起始状态时，宇宙变成了量子奇点。在那里，不但人类已知的一切物质形态都不存在，就连空间和时间也不存在。物质是被创生的，同样的，时间和空间也是被创生出来的。这样，询问在宇宙起始之前发生什么，或者奇点之外存在什么，是无意义的。

霍金用无边界设想描述那个初始状态。在这个图景中，时空没有边界，不存在起始点。无穷多的宇宙自发出现，它们从“无”中诞生，以所有可能的方式开始，就像沸腾的水中生成的无数气泡，不停地产生又消亡，处于一种混沌的状态。

所有那些如气泡般生灭的宇宙，其物理规律和我们的宇宙大不相同，它们不能孕育出生命，但其中有一个宇宙泡泡，快速膨胀出来，这就是我们的宇宙。

创造我们这样一个浩瀚的宇宙，需要多大的能量呢？答案是：零。

宇宙的物质由能量创生，我们把这能量称为正能量，而宇宙的引力场则具有负能量，因为所有物质都由引力相互吸引，把两个互相绕转的天体分开来，必须消耗能量。理论家们证明，宇宙的负引力能刚好抵消物质所代表的正能量，而正能量就是由引力能那里借贷而来，所以宇宙的总能量为零。暴胀宇宙学的创立者古斯说：“都说没有免费午餐这件事，但是宇宙是最彻底的免费午餐。”

暴胀

最初的泡泡宇宙经历了一次极为快速的膨胀，天文学家们称之为暴胀，它发生在大爆炸10^-36秒之时。

暴胀之快，超乎所有人的想象。在一段非常短的时间里，宇宙的体积呈指数增长，差不多每隔大约0.000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 001秒的时间，宇宙的尺度就增大一倍。大约100个这样的时间间隔后，宇宙的体积增大了1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000倍。它相当于一个原子核区域瞬间膨胀到大约1光年的直径，或者一个氢原子大小瞬间膨胀到银河系尺度。暴胀速度远远超过了光速，但这并不违背相对论，相对论要求两个相对运动的物体速度不能超过光速，这不适用于空间本身的膨胀。

暴胀只持续了极短的时间—从10^-36秒至10^-34秒，就这极短的瞬间，造就了一个适合生命的宇宙，因为宇宙的时空性质、物理定律、自然常数等就是在暴胀中调整得恰到好处。此时的宇宙如同一粒种子，包含了从粒子到天体所有结构的密码，未来将由这些密码信息成长出各种原子和分子，形成各种星球天体，乃至于演化出不同形态的生命。就如霍金在《果壳中的宇宙》中所表达的：“我们的宇宙是由一个小小的果壳而来，果壳的量子皱纹里包含着宇宙中所有结构的密码”。

暴胀结束时，能量开始转化为物质粒子，一场轰轰烈烈的创生运动开始，这就是通常所说的宇宙“大爆炸”。

要有光

据《圣经》记载，上帝创造宇宙的第一句话是“要有光”。巧合的是，大爆炸最初创生的就是光子，只不过这些光子并不是人眼能看到的可见光，它们是能量极高、波长极短的伽马射线，物质粒子将从这些光子生成。

一对高能的光子碰撞，产生出一对正反粒子，这过程是可逆的，正反粒子碰撞又湮灭回光子：

光子＋光子←→质子＋反质子

光子＋光子←→中子＋反中子

光子＋光子←→电子＋正电子

光子＋光子←→中微子＋反中微子

因为质子和中子的能量大，生成它们的光子能量也必须极高，温度最低需要10万亿开，这称为阈温。电子的能量低一些，生成它的光子能量可以低一些，但阈温也达59亿开。

大爆炸启动后，时间每推进两个量级，空间就膨胀一个量级，温度下降一个量级。百万分之一秒后，温度下降到10万亿开，这是生成正反质子和中子的阈温，低于这个温度，光子的能量就不能生成质子和中子，正反质子和中子的生成就停止了。

1秒是物质创生的另一个分水岭。这时宇宙密度已降到每立方厘米大约1吨，相当于白矮星的密度，温度约100亿开，因为生成正反电子的阈温是59亿开，1秒之后，温度很快降到这个阈温以下，正反电子的生成也停止了。

宇宙大约用了1秒多一点的时间，完成了所有基本粒子的创造，这时候宇宙的主要粒子是质子、中子、电子、中微子以及它们的反粒子。

2025年出版的《物理科学的哲学》里，爱丁顿写道：我相信宇宙中有15，747，724，136，275，002，577，605，653，961，181，555，468，044，717，914，527，116，709，366，231，425，076，185，631，031，296个质子和相同数目的电子，这个数为136×2256，后来被称为爱丁顿数，也就是说，宇宙中的质子数和电子数在10

量级。

最初的核合成(https://www.chuimin.cn)

3分钟是大爆炸的另一个重要时标。这时候，宇宙的温度降至10亿度，和多数人的想象不同，宇宙此时的密度已经和地球大气差不多。这时候，原子核的合成开始，核聚变反应把一部分质子和中子聚变成氦原子核，核聚变反应持续了约1个小时。

1小时后，宇宙温度降到1亿开，虽然还比较高，但由于密度已经远低于地球大气，粒子碰撞几率大大降低，核合成就结束了。

大爆炸的原初核合成只产生了周期表的前三种元素（氢、氦、锂），即原子量在5以内，锂的产量极微小，早期宇宙核合成最终产品主要是大量的氦原子，在第六号元素碳之前完全终止。

大爆炸1小时之后，核合成结束，宇宙中的每一个质子，无论位于原子核内，还是原子核外，都对应着一个电子。带正电的原子核本来可以和电子结合，形成原子—氢原子和氦原子，但此时宇宙的温度对于原子来说太高，在高能光子的轰击下，电子被电离出原子核，处于自由状态。

原子的生成

38万年是最后一个分水岭，在此之后，宇宙温度降到了3000开以下，电子开始和原子核稳定地结合成原子。

至此，大爆炸创世的第一阶段完成。其创造的原子主要是氢和氦，其中氢占了约74％，氦占了约26％，这些就是以后形成星云、恒星和其他天体的原材料。若干亿年之后，这些氢元素聚集在地球上，参与到我们生命体的构造中，成为我们身体里最多的原子。我们看似年轻的身体，多数原子其实和宇宙同样古老，它们已经在宇宙中旅行了138亿年，我们的身体成为它们漫长旅程的短暂一站。

早期宇宙的重要创生阶段：

年龄温度创生过程10-36秒10²⁸开正反粒子创生0.000001秒10¹³开质子中子创生完成1秒10¹⁰开电子创生基本完成3分钟10⁹开原子核开始合成1小时10⁸开原子核合成结束38万年3×10³开中性原子开始形成

反物质在哪里？

回顾一下物质的创生，我们会发现一个问题：物质粒子由光子碰撞产生，光子碰撞产生的粒子是一正一反，于是问题来了：我们的宇宙是由一半正物质和一半反物质组成的吗？

让我们用望远镜观测一下宇宙，看看能不能发现有些天体是反物质的？不行，反物质原子结构与正物质原子完全一模一样，它们发出的光子是一模一样的，光子没有正反之分，望远镜根本看不出正反物质差别。

怎么办呢？其实简单推理一下即可。地球上会不会有大块的反物质存在呢？不可能，如果有，它早就被正物质湮灭了。太阳系内有没有反物质天体呢？不可能，因为太阳表面不停地吹出太阳风，它里面有电子、质子、氦原子核等粒子，太阳风粒子吹到太阳系各个星球上，如果太阳系有反物质星球，就会出现持久且强烈的湮灭现象，反物质天体也早就没有了。

同样的论证可推广到银河系，银河系的恒星际空间里充满稀薄的星际气体，此外还有宇宙射线粒子在飞行，它们不与任何一个恒星相湮灭，这是银河系内没有反物质星体的证据。

进而可以肯定，宇宙没有反物质星系。大爆炸最初创生的正反粒子如同一锅混合均匀的汤，按粒子物理学已有的知识，它们没有任何可能在大尺度上完全分离，由此可以得出的结论是：宇宙是由正物质组成的。

反物质哪里去了？只有一个结果，和正物质湮灭了，因为正反物质粒子相遇会湮灭变回光子。

既然反物质都和正物质湮灭了，为什么还会有物质形成宇宙呢？

只有一种可能，大爆炸最初产生的正反粒子数是不对等的，正物质粒子数要比反物质粒子数多一些，这样当全部反物质粒子与等量的正物质粒子相遇湮灭后，还会剩下一些正物质粒子，正是剩下来的这部分正物质形成了今天的宇宙。

最初的正反物质粒子会相差多少呢？极少，只有1/10亿。这个数据是怎么来的呢？据天文学家们统计发现，目前宇宙中粒子的密度大约是每立方米1个粒子，而光子数大约是粒子数的10亿倍，光子由正反物质湮灭而来，由此估算，最初正粒子比反粒子数多了1/10亿。

不能因为这个偏差很小，就可以想当然地认为是可能的，因为人们在实验室里发现，正反粒子是按照1比1创生的，至今没有发现过一个破坏守恒的事例。如果正反粒子绝对严格按照1比1创生，宇宙万物又如何形成呢？

其实，守恒往往是低能级的规律，能级一高，守恒或者对称往往随之出现破缺，比如在化学反应中保持守恒的原子，在高能核聚变中就改变了。在宇宙大爆炸的极早期—创生的10^-36秒时，能量状态极高—极高温度，极高密度，极高压强，在这样的极端条件下，正反粒子数量出现小小的不对称是很自然的事情，正粒子只是多出了1/10亿，便造就了我们今天的宇宙。

宇宙开始透明

现在再回到大爆炸的后期—38万年，也就是电子与原子核结合形成原子的时候。这时候，发生了另一件重要事情。在此之前，宇宙里温度很高，电子速度很快，原子核束缚不住它们，它们自由穿梭，空间里的电子密度就非常高，光子在运行过程中很容易与自由电子碰撞，一碰撞就被电子散射或吸收，光子能够自由行进的距离很短，这时候的光子是辐射不出来的，宇宙处于不透明状态。

38万年后，宇宙温度降到了3000开以下，电子的速度降低，它们被原子核束缚住，结合成原子，宇宙中自由电子的密度迅速降低，于是光子可以自由行进，宇宙变得透明起来，这叫光子退耦，我们能够看到的最早光子就来源于这时候。

此后，宇宙继续膨胀下去，温度也逐渐下降，来自大爆炸的光子孤立地运行在宇宙中，波长随着空间的膨胀而渐渐拉长。100亿多年后，其中一些光子进入了人类的射电望远镜，成为宇宙的第一缕曙光，也是“大爆炸”138亿年后的留下的余温。

电子和原子核结合，电子密度越来越低，光子可以在宇宙中自由穿行。

宇宙创世：大爆炸暴胀与核合成过程

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