宇宙最热时是什么样的？

宇宙什么时候最热？

我们的宇宙中充满了恒星和星系，它们都不是静态的，整个宇宙也不是静态的。遥远的星系在引力的作用下集聚，不断成群、成簇，它们构成了我们这个不断扩展的宇宙的一部分。同时，这些星群、星簇彼此之间也在以一定的速度远离。随着宇宙的扩展，在空间中的每一个光子的波长都会被拉伸，于是这些星群、星簇不仅变得越来越稀疏，也越来越冷。

但这意味着，如果时光倒流，我们回到宇宙的过去，会发现宇宙不仅比它现在密度更大，而且比它现在温度更高。如果我们继续往更早的时间追溯（直到我们知道的最早时刻），那么我们就来到了“大爆炸”之初——这绝对是宇宙最热的时候。那将是什么样的一种情况呢？

能量和物质转化

在当今的宇宙中，粒子的存在都遵循一定的规则。

它们大多数具有质量，同时也存在相应的内部能量，这些能量与质量大小成正比。它们可以是物质（对应费米子），反物质（对应反费米子），也可以两者都不是（对应玻色子）。但是也有一些粒子是无质量的，它们通常都是以光速在运动。

每当物质和相应的反物质相互碰撞时，它们就会自发湮灭，这时通常会产生两个无质量的光子。如果你用足够大的能量将任意两个粒子碰撞在一起，就有机会创造新的物质和反物质粒子对。根据爱因斯坦的质能方程E=mc2，只要有足够的能量，我们就可以将能量转化为物质，反之，我们也可以将物质转化为能量。

没有质量的粒子

但是在宇宙早期，事情变得不是这样了。

我们发现，在“大爆炸”的早期阶段，在极高的能量条件下，（标准模型下的）每个粒子都是无质量的。在这些高温下，希格斯对称性会完全恢复（根据希格斯机制，对称性在破缺时会使粒子产生质量）。

由于宇宙太热了，不仅不能形成原子和原子核，而且连单个的质子和中子也不能形成。它这时就是一个高热、高密度的等离子体，其中充满了可能存在的粒子和反粒子。由于它能量太高，就连被称为宇宙“隐身人”的中微子和反中微子，也比其他任何时候都更频繁地变成其他粒子。

每微秒内，每个粒子都会撞击万亿次，并且都在以光速运动。除了我们知道的粒子外，很可能还有我们今天不知道的其他粒子和反粒子存在。

最热时能量有多大？

早期宇宙比我们在地球上能看到的任何东西都要热得多，并且充满能量。这些能量有多大呢？做个对比可以知道：它是最强的宇宙射线的100万倍，是大型强子对撞机能量的10亿倍。

在这么强大的能量下，也许以下这些粒子早已产生，比如：超对称粒子、大统一理论预测的粒子、构成我们目前认为的最小粒子的粒子、重型右旋中微子、各种的暗物质候选粒子……只是我们无法知道。

最热时温度有多高？

这是宇宙最热的时候吗？是的，有观测证据可以证明这一点——这是宇宙从未有过的高热和致密状态，但它的温度并不是无限高的。

这些证据就是今天我们观察到的宇宙微波背景：来自大爆炸余下的辐射光。它们是2.725K的波，在宇宙中均匀分布，只有仅几十或几百微开尔文的波动。通过这些涨落的频谱和幅度，我们知道，宇宙在大爆炸最早、最热的阶段，其温度是有一个上限的。

在物理学中，（所有的一切）最高的能量在普朗克尺度上，大约为1019GeV（1GeV是将一个电子加速到十亿伏特的电位所需的能量）。超出这个能量，我们的物理定律将变得没有意义。

根据宇宙微波背景下的波动图，我们发现，宇宙并未达到最高温度（即1019GeV）。该波动图表明，我们宇宙曾经达到的最高温度仅为1016GeV，只有理论上普朗克尺度下温度的千分之一。换句话说，宇宙具有可以达到的最高温度，并且远低于普朗克尺度。

不同区域温度变化

宇宙微波背景不仅告诉了我们大爆炸达到的最高温度，还为我们提供了更多信息——比如，它告诉我们，形成今天宇宙结构的“种子”，是什么时候埋下的。

宇宙某一个区域之所以会冷却，是因为这个区域相对于其他区域密度较高，致使引力也相对较大，光线从引力势能较高的这些地方跑了出来。相应地，热的区域，都来自密度低于平均密度的地方。

随着时间的流逝，这些冷却下来的地方将成长为星系、星团和星系团，并将逐渐形成巨大的宇宙网。而那些热的地方，会在源源不断地把它们的物质交给温度更低、密度更高的区域后，在数十亿年的时间里，演变成巨大的宇宙空隙。

最高温度是短暂的

早期宇宙达到了最高温度（1016GeV）的时候，它的温度就会立即开始下降。

这是因为宇宙一直在膨胀。而每当宇宙膨胀时，随着空间结构的伸展，其中的波长（波完成一个振荡所需的距离）也随之伸长，从而使辐射的能量越来越低。较低的能量对应较低的温度，因此随着时间的流逝，宇宙不仅密度会降低，而且热量也会降低。

随着时间的流逝，不断扩展和冷却的宇宙将产生大量的变化，慢慢地，宇宙的结构和形态被创造出来了。