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没蜡笔的小新|宇宙中的物质最初来自哪里？真的是无中生有吗？


没蜡笔的小新|宇宙中的物质最初来自哪里？真的是无中生有吗？
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本文参加*** #科学了不起# 系列征文赛 。
没蜡笔的小新|宇宙中的物质最初来自哪里？真的是无中生有吗？
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宇宙非常大 ， 其中包含着非常多的物质 。 地球上的物质总量可达6亿亿亿公斤 ， 太阳系中的物质总量可达200万亿亿亿公斤 ， 银河系中的物质总量达到太阳质量的1万亿倍 ， 但这不外是宇宙的冰山一角 。
在浩瀚的宇宙中 ， 还有不计其数像银河系这样的星系 。 因为物理定律的限制 ， 我们只能看到半径为465亿光年的宇宙范围 。 仅在我们所能观测到的宇宙中 ， 物质的总量估计高达10万亿亿亿亿亿亿（10^53）公斤 。 不可观测的宇宙区域很可能要更大 ， 甚至无限大 ， 那里的物质更多 。
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那么 ， 宇宙中这么多物质都是从哪里来的呢？它们是一开始就已经存在的 ， 仍是无中生有的呢？
无论是生命还长短生命 ， 或者是宇宙中的天体 ， 物质都是由原子构成 。 那么 ， 这个题目就可以变成宇宙中的原子是哪里来的？
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在宇宙中 ， 99%的元素是第1号和第2号元素——氢和氦 ， 前者占比75% ， 后者占比24% 。 我们身上还包含了诸如碳、氧、钙等几十种元素 ， 这些更重的元素要么来自于恒星内部的核聚变 ， 要么来自于超新星爆发 ， 或者来自于中子星碰撞 ， 地球本身没有前提进行核反应来大量制造元素 。
对于第3号开始的元素 ， 追根溯源 ， 基本上都是来自于第1号元素氢 。 氢经由恒星的核聚变结合成氦 ， 氦又进一步发生核聚变天生更重的元素 ， 就这样逐渐得到了元素周期表中的九十几种天然元素 。
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于是 ， 这个题目又可以进一步变成宇宙中的氢和氦最初又是来自哪里？
需要明确一点 ， 固然恒星的氢核聚变会把氢转变成氦 ， 但这个数目十分有限 ， 宇宙中的大部分氦并非来自于这个过程 ， 而是一开始就跟氢一起泛起在宇宙中 。
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爱因斯坦的质能方程告诉我们 ， 质量和能量在某种意义上是等价的 ， 可以互相转换 。 核反应就是质量转变为能量的典型例子 ， 反过来 ， 能量也是能够转变为质量的 ， 这就是宇宙中氢和氦的来源 。
根据宇宙大爆炸理论 ， 宇宙中最初没有任何物质 ， 甚至就连空间都没有 。 在138亿年前 ， 宇宙是一个时空奇点 。 宇宙从量子涨落中诞生 ， 伴随着从真空中“借来”的巨大纯能量 。
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宇宙空间膨胀速度非常快 ， 曾短暂经历过几何指数式增长 ， 这让能量得以分散开来 ， 宇宙温度逐渐降低 。 到了宇宙诞生后10^-33秒 ， 宇宙空间暴胀结束 ， 纯能量开始转变为各种基本粒子 。
不知何故 ， 宇宙产生的正物质粒子略多于反物质粒子 ， 每10亿个反粒子会多出一个正粒子 ， 从而导致反粒子都被湮灭掉 ， 只剩下正粒子 。 到了宇宙诞生后100微秒 ， 夸克会萃形成质子和中子 。
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质子也就是氢原子核 ， 所以宇宙中就有了氢元素 。 大爆炸几分钟后 ， 质子和中子结合在一起形成了氦原子核 。 因为宇宙快速膨胀冷却 ， 更重的元素几乎来不及合成 。 根据质子和中子的比例关系 ， 可以推测出宇宙最初产生的氢和氦的质量比为3:1 ， 这与如今观测到的结果完全吻合 。


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