“這就要從中子的生死存亡法則說起了。眾所周知,中子在沒有被固定到原子核裡的時候,以自然遊離態存在時,是極為不穩定的,會自動釋放出一個電子,然後其本體衰變為一個質子。
而且這個過程自然狀態下並不可逆,也就是不帶電的中子會衰變成一個帶正電荷的質子,與一個代負電荷的電子。而帶正電的質子與帶負電的電子,卻沒法重新自發合成中子這就是原子物理上常說的β衰變。
不過,自然狀態下上述衰變不可逆,卻不代表宇宙之初時也不可逆在宇宙剛誕生的0.1秒後,當時宇宙的溫度高達1000億度,在那樣的環境下,電子會因為所攜帶能量過於巨大,而呈現‘強電子’的狀態,這種強電子在撞擊質子時,是可以做到與質子重新融合,變成中子的。
所以,如果宇宙一直保持1000億度的高溫,那麼那兒的質子與中子應該能永遠保持五五開的比例,而不是現在的七比一。後續之所以不可逆了,是因為宇宙快速冷卻了,無法保持一千億度或者至少幾百億度的高溫,僅僅十幾秒鐘後,溫度就下降到了幾十億度,上述強電子與質子重新合成中子的自然逆向衰變,再也無法發生。
到了這一步,問題也就進一步轉化了:從中子開始批量因β衰變而‘死亡’、轉化為質子開始,到宇宙的溫度降低到足以產生穩定的原子核之前,還能活下來多少個中子?”
麻依依讀到這兒,書的第一部分的梗概大致就看完了。
很宏大,後麵第二部分則是各種嚴謹的計算。
顧玩在書裡演算了質子和中子能夠組成氦原子核時,所需的溫度在之前1000億度到幾十億度的時候,原子核都是沒發存在的。因為太熱了,基本粒子運動太劇烈了,原子核根本沒法存在,因為束縛不住,會被質子和中子掙脫。
原子核要存在,需要的上限溫度是9億度。
也就是超過9億度,所有原子都會崩,都無法以原子態存在,隻能以離散的質子中子電子等基本粒子態存在。
後續內容的核心,也就推演到了對“從宇宙溫度降低到不足以支持貝塔衰變逆向進行,到進一步冷卻到9億度,花了多長時間。而在這段時間裡,多少中子完蛋了”的計算。
貝塔衰變的平均周期是15分鐘。也就是說,如果當初宇宙在分彆降溫到這兩個溫度的時間點之間的間隔,超過15分鐘,那麼宇宙中所有的中子就都陣亡了,或者說隻有忽略不計的極少數存活下來。
今天的世界,將是一團純質子、純氫原子的世界,彆的什麼都沒有。
但幸好,宇宙降溫到上述兩個溫度的時間點之間的間隔,沒有15分鐘那麼久,所以這個世界有一部分中子幸存下來了,也就有了元素周期表後麵的所有元素,而不是隻有一個單一氫元素。
星係,星球,文明,都應該感謝宇宙降溫速度夠快的不殺之恩。
書中計算的過程很繁瑣,最後顧玩初步計算出了一個大約3分28秒的時間,認定宇宙是在誕生後的3分28秒左右,降低到9億度這個關鍵節點的。
正是在這個節點上,還有占原本中子數四分之一的中子活了下來、還有四分之三的中子衰變成了質子,所以後續有了宇宙的一切。
3分28秒這個時間,地球上其實從沒有人寫過,倒是有一個溫伯格的地球大科學家,算過一個3分46秒的數字。
(這個溫伯格也是諾貝爾物理學獎得主,在地球上,他拿諾獎比發現宇宙微波背景輻射的彭齊亞斯等人,晚了一年。因為他逆推宇宙起源降溫速度的運算,是需要依托對宇宙微波背景輻射的觀測的。所以,顧玩也選擇了在觀測到了最新最低的宇宙微波背景輻射後,進一步做後續反演逆推計算。)
如果顧玩的書就寫到這裡為止,那麼他也不會比地球上的溫伯格更牛逼。但問題就在於,他寫的遠不止到這一步。
他的結論之所以跟溫伯格不同,是因為他加入了其他輻射擾動變量。顧玩不僅僅是算了對宇宙微波背景輻射的反演,還加入了其他反物質、黑洞輻射誤差等最新成果的反演。
當然,具體還不止這些。其實這裡麵還有更多無法在幾萬字篇幅以內說清楚的乾擾量。
一言以蔽之,除了地球人當年需要用哈勃太空望遠鏡觀測後、才因為宇宙膨脹速度觀測重大誤差,而提出的“暗能量”誤差,沒法被顧玩算到擾動變量裡麵以外。
其他不依托超先進實驗儀器、觀測設備、純靠理論腦補就能歸納出來的乾擾變量,顧玩都算進去了。
而且過程很清晰,基本上是加一道變量重新算一次,讓人感受物理的美學。
至於“暗物質和暗能量”,他隻能暫時預言性地提一筆,諸如“如果未來發現宇宙膨脹速度與目前我們的認知量計算結果有誤差,那麼上述一切計算都得推倒重來,我們要隨時準備好接受新的發現,並及時定義那些未知的物理量”雲雲。
到了這一步,他這部新的科普專著,已經極為紮實了,甚至還埋下了更多立帖為證的坑。
就等將來世界證明他的偉大,
或者哪年他自己開個航天公司,自己花上20億美元弄個軌道太空望遠鏡,類似地球人的哈勃那種。
那樣他就可以自己證明自己的偉大。