爱因斯坦质能方程与宇宙起源的关联

时间：2018-08-30 23:55:50 来源：作者：网络

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??? 现在宇宙形成的主流理论就是大爆炸，大爆炸开始的时候宇宙温度非常高，首先产生了大量的高能光子，这些光子相互碰撞就按照爱因斯坦的质能公式产生了高速运动的夸克、胶子、电子等基本粒子及其反粒子，可以说是高温的基本粒子浆糊，还不是我们今天说的物质。到了大爆炸后大约一万亿分子一秒的时候，宇宙的温度冷却到了大约一千万亿度，夸克、胶子和电子及其反粒子就开始冷却形成了质子和中子，这就是最初始的物质。大爆炸后大约10秒，温度约30亿度，这就是宇宙的核合成时期，质子和中子就会结合形成氢、氦类稳定轻原子核（化学元素），其他轻原子核也会形成一点，但是非常少。当宇宙冷却到10亿度以下，也就是大爆炸大约三分钟，就不能再产生新的原子核了。所以我们宇宙中的物质基本上都是在宇宙大爆炸之后三分钟以内形成的。

当然今天我们宇宙中的物质并不仅仅有氢、氦类稳定轻原子核，其他的元素主要都是在恒星的中心通过轻元素合成重元素的核聚变过程形成的，这种过程能够产生一直到铁这样的重元素，而核聚变过程中释放能量的过程就是恒星内部的能源机制。此外，超新星爆发的过程中也会产生一些比铁更重的元素。

我们下面看看能量转化成质量的具体过程。爱因斯坦的质能公式

E＝mc?反过来写就是m＝E/c?，也就是能量可以转换成为物质，因此一对伽马射线光子，只要它们的能量加起来超过两个电子的静止质量，根据E＝mc?对应的能量，就能够产生一对电子和正电子。

不过实际情况要略微复杂一点，要求的是在两个光子的动量中心的参考系里面（在这个参考系里面两个光子的动量之和等于零），它们的能量之和超过两个电子的静止质量根据E＝mc?对应的能量，这样就能够同时满足能量和动量守恒，当然也满足电荷守恒，就能够产生一对电子和正电子了。

正是由于伽马射线光子的这个性质，我们在地球上无法探测到宇宙很远处的高能伽马射线光子，因为这些光子会和宇宙微波背景辐射光子以及恒星和气体发出的红外光子作用产生电子和正电子对。读者可能很奇怪，宇宙微波背景辐射光子和红外光子的能量很低，怎么也会用来产生电子和正电子对呢？原因就是上面说的，只要在两个光子的动量中心的参考系里面它们的能量之和足够大就行。所以，尽管宇宙微波背景辐射光子和红外光子的能量很低，只要伽马射线光子的能量足够高就可以做到了。当然，如果伽马射线光子的能量很高，它们还能够产生很多其它的正反粒子对，只不过最容易产生的就是电子和正电子对而已，这些都已经有了大量的实验和观测证据，并不仅仅是理论推测。实际上，两个光子相撞产生正负电子对的过程也可以在实验室中实现，而且已经实现了。