而关于物质是如何产生的,其实本质上,我们可以理解成这些物质粒子是如何产生的。
物质粒子是如何产生的?我们可以先直接给出答案,这些物质粒子是撞出来的。
宇宙大爆炸初期,温度超级高,当时确实是“纯能量”的环境。在这样的环境下,有大量的光子。
辐射的两个量子或者说光子,是有可能会发生碰撞并消失的。它的能量和动量会产生两个或者多个物质粒子。口说无凭,很多理论还是要靠实验。事实上,科学家也确实是在高能物理实验室中间接地观测到了整个过程。
那为什么会出现这样的事情呢?
爱因斯坦的狭义相对论告诉我们,质量里还有能量,能量里还有质量,因此,处于静止状态的物质粒子也存在“静止能量”,我们可以通过质能方程E=mc^2计算得到物质粒子的“静止能量”。也就是说,能量和质量其实是一回事,它们的对应关系是E=mc^2。
当两个光子正面对撞时,两个光子如果要产生质量为m的两个物质粒子,那就得保证每个光子的能量必须大于或者等于每个物质粒子的“静止能量”(在这里就是mc^2),多余的部分其实会提高物质粒子的速度。如果光子能量不够,那就不会发生产生物质粒子。
那到底需要什么样条件才能获得足够能量的光子呢?
我们可以拿电子来举例子,电子的“静止能量”是0.511MeV,也就是说光子至少也要达到这个能量才有可能产生电子。
科学家通过计算就发现,在阈值温度为60亿度时,光子就有很大的可能性获得这个能量,所以,如果宇宙大爆炸初期能够达到这个温度,实际上就能产生电子。
上文也说到了,宇宙起源于奇点的大爆炸,而奇点的温度就是无限高的,从大爆炸开始,达到60亿度并不要什么难事,因此,在宇宙大爆炸初期物质粒子就已经开始形成了,而主要的方式就是光子对撞。
不仅电子可以通过这样的方式,实际上,中微子,μ子,介子等也都可以,下面就是不同粒子对应的静止能量和阈值温度。