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，牌子后面是脾气火爆的宇宙大爆炸大叔，关于这位大叔，至今还有不同版本的传说，（正经点说，在时间的奇点，时空的特性和物质的特性被最大程度“混合”在一起，第一段云淡风轻的处理方法不再适用，这时候时空的几何特点会和物质之间存在复杂的关联）。在我们停下来的地方，会看到什么呢？想一想上一段最后的内容，对了，这时候能被电离的都被电离了，宇宙之间茫茫然一片炖着夸克，轻子，那些矢量玻色子，还有其它一些粒子（其它意指没有定论），这些粒子不停歇的相互作用着。
，牌子后面是脾气火爆的宇宙大爆炸大叔，关于这位大叔，至今还有不同版本的传说，（正经点说，在时间的奇点，时空的特性和物质的特性被最大程度“混合”在一起，第一段云淡风轻的处理方法不再适用，这时候时空的几何特点会和物质之间存在复杂的关联）。在我们停下来的地方，会看到什么呢？想一想上一段最后的内容，对了，这时候能被电离的都被电离了，宇宙之间茫茫然一片炖着夸克，轻子，那些矢量玻色子，还有其它一些粒子（其它意指没有定论），这些粒子不停歇的相互作用着。戏说暗物质（二）
(2010-12-17 14:46:47)
上一回说到，我们从今天（137亿年）逆着时间之矢跑回到10^19GeV（10^-43S）的地方，挥一挥衣袖和大爆炸大叔作别，然后一路逛奔到0.1GeV（10^-4s），看到了夸克结合成强子，直到这时候强子的运动速度很慢，在成对儿的湮灭，湮灭到了22MeV（10^-3s）时，它们的数密度开始稳定下来（退耦），存在正反物质不对称的问题……这时候环顾四周，你会发现我们的时间战车的乘客不觉中已经少了一大半儿，那些絮絮叨叨的高能粒子物理学家们早就下车了：
对奇点感兴趣的在Plank尺度转悠，念念有词G弦D膜额外维；对中微子感兴趣的有一些在10^11GeV（10^-28s）玩跷跷板（事关右手中微子，在粒子物理标准模型里本身是没有右手中微子的，左手中微子因此没有质量，但是实验表明左手中微子有很小的一个质量。人们希望通过在比如说10^11GeV能标处加一个右手中微子，使得中微子获得质量，因为所加的右手中微子给左手中微子那么小质量的方式是把自己的质量除在分母上，以一个大质量得一个小质量，故称为翘翘板机制）；在1TeV（10^-18s）附近的是热衷超对称和其它类型新物理的（超对称是时空的对称性，是时空的旋量表示对物质的限制，标准模型的所有粒子都有所谓伴子，费米子的板子是玻色子，玻色子的板子是费米子。如果没有超对称，我们将不能很好的理解，为什么有且仅有费米子和玻色子的区分。）；然后到了200GeV（10^-11s）左右就是上一回我们提到的粒子物理标准模型显山显水的地方了，一大群高能物理学家在这个地方拿着放大镜的找——上帝粒子（标准模型中所有的粒子的质量都来源于它，它是标量玻色子，有名的LHC试验很大任务就是发现它）。大体就是这样，你会看到这些人在这段能区上面反反复复的自言自语，打架聊天在纸上写满古怪符号让纸很难受，这就是高能物理学家。
而我带你们继续走，我们现在所在的是22MeV（10^-3s）的位置，这时候正反重子的湮灭稳定下来，由于假设正反重子数密度在湮灭发生前已经有小的不对称，加上其它一些假设，使得这时候宇宙中的重子主要是正的比如说是质子、中子，而不是其反粒子。今天的观测表明重子数密度和光子数密度的比值在10^-10量级（通过今天的实物数密度和光子数密度的比值，以及二者的能量比值得到，实物数密度中的重子数密度基本可用质子和中子的数密度取代）。而在稳定下来的重子中，最轻的是中子（0.940GeV)和质子（0.938GeV），它们二者之间通过弱相互作用保持化学平衡（比如说一个质子加一个电子到一个中子和电子中微子这个过程：p+e—n+v），二者的数密度之比满足Boltzmann分布，是宇宙温度和二者质量差的函数，随着温度降低，这个比值越来越小。宇宙在不断的膨胀中，和前面讲过的正反种子成对湮灭的退耦过程类似，在约0.8MeV（1.24s）的时刻，中质比值稳定下来，大约是1:7。从粒子物理标准模型知道，质子基本是稳定不衰变的，但是中子要衰变（887s），因此从比值稳定下来的时刻算起，因为中子在持续衰变，中质比实际上还在减小。后面我们会看到这个比值的意义所在。
在0.8MeV（1.24s）这个时刻，数密度近似稳定下来的质子和中子会发生核反应（比如说一个质子加一个中子到一个氘核和一个光子:p+n—D+A），D的结合能约是2MeV，如果光子的能量高于这个值，则上述过程维持热平衡（可逆的），净D数密度很少，但伴随宇宙温度下降，高能光子数密度成指数下降（类似前段中质比的计算），随着宇宙温度下降高能光子数密度越来越少，到约0.1MeV（100s）的时候，积累的D核已经足够多，可以开始进一步的核反应了（比如说一个氘核加一个质子到一个氦3加一个光子：D+p—He+A，等等）。原子核反应发生的很快，通常是破坏热平衡的，因此上述核反应链条很快终结在了0.01MeV（10^4s）的时刻，另外由于原子量为5和8的原子核都很不稳定，因此简单说来，当这系列核反应结束过后，宇宙中有3/4的氢离子和1/4的He4离子，之所以是离子状态而不是原子状态，是因为一般原子的电离能是十几个电子伏特（ev），在0.01MeV核反应终止的温度条件下，宇宙中有足够多的高能光子使解离原子。现在的观测可以比较准确的测定He4的丰度（它在气体中的质量百分比），而对这个百分比的理论计算依赖于两个因素，从形式上看只依赖于前段提到的中子质子数密度比（这个比值其实依赖于计算数密度稳定那一温度下宇宙中辐射成分的熵密度，这个熵密度和中微子的代数有关，就是有几个中微子。在标准模型中有三个。），与这个比值成正比。但实际上我们已经知道这个比值实际上一直处于变化状态中，从0.8MeV（1.24s）时的1:7到氘核开始链式核反应的0.1MeV（100s）约100s间，中子在持续的衰变，因此我们需要的是有效的中质比。而这个有效的中质比和重子数密度与光子数密度的比值相关，因为这个比值越大，氘核开始核反应的时间就越早，意味着中子的衰变时间越短，有效中质比越大，最后的He4产额越大。
宇宙用一部电影都不到的时间，完成了元素的初步合成，这时间是0.01MeV（10^4s），宇宙中充满了氢离子和的He4离子，其它重元素的形成是再久以后的事情，在恒星阶段发生了。好了你可能已经迫不及待想知道，恒星是如何形成，但在此之前，还要经过一些过程。我们快进一下，前一回提到过宇宙学中“辐射”和“实物”的定义，通过对现在宇宙中实物密度和辐射密度的反推（今天这个比值约是6000，其中重子物质和辐射物质的质量密度比约为700，余下的实物你猜是什么？），大约在1ev（10^12s,3万年）的时候，实物粒子的质量密度和辐射粒子的质量密度等量。而在0.3eV（2万年）刚才提到的氢离子变成氢原子，原因前段也提到过，因为能解离核外电子的高能光子数密度呈指数迅速衰减。宇宙温度越来越低，实物密度越来越大，能称之为辐射粒子的只有光子了，而光子则会在约0.25eV（2.4万年）通过电磁相互作用退耦，形成微波背景辐射。
停在0.25eV（2.4万年）的时间上，宇宙中此刻充满了氢原子和氦原子的气体，还有光子的背景辐射。这和我们现在的宇宙相差甚远，星系，恒星，黑洞是怎样形成的呢？
在前两回里，我们乘着时间战车，从宇宙大爆炸之后的10^-43s的地方，一路下行停止在了约2.4万年光子也退耦了的时间。这段能标从10^19GeV至100GeV左右是谓高能物理学家感兴趣的区域，期间涉及物理包括大爆炸理论、弦理论、大统一理论、超对称理论、粒子物理标准模型等等以及各自细节林林总总。从这个能标往下直到光子退耦上演的是基本粒子“穿衣服”，0.1GeV夸克结合成强子、0.1MeV质子和中子结合成氘核、0.01MeV氘核主要结合成氦4，初级核反应链条停止、0.3ev氢离子变成氢原子，0.25ev光子退耦。你们如果感兴趣可以将这些事件画在一张图上，本来我想画一幅给你们，但是画得很难看
，所以你们自己画吧。当然网上也有很好的示意图，但是你自己画可以画成你喜欢的样子，比如说在高能区你可以把相应物理工作者标在上面，就是你的老师们啊什么的，然后绘声绘色给别人讲述种种奇闻异事O(∩_∩)O~
，所以你们自己画吧。当然网上也有很好的示意图，但是你自己画可以画成你喜欢的样子，比如说在高能区你可以把相应物理工作者标在上面，就是你的老师们啊什么的，然后绘声绘色给别人讲述种种奇闻异事O(∩_∩)O~
在第三回里我们说到，之所以以重子物质形成宇宙结构（就是恒星、星系什么的）会遇到问题，主要在于：重子物质得等到到光子退耦（0.25ev，2.4万年）才真正开始。这是因为像我们以前所说的，重子物质的数密度和光子的数密度在大约22MeV（10^-3s）时就稳定下来了（正反重子物质湮灭率和宇宙膨胀速率持平），这个密度比基本是10^-10，也就是说，一个重子要被约10^10个高能光子所包围。考虑到Jeans的自引力理论，这相当于重子物质的有效Jeans长度或者有效Jeans质量很大，那么为了形成今天的星系结构，需要的初始扰动得在10^-3的量级，它比今天实测到的大一个数量级。
这里我们需要再仔细看一下Jeans的自引力理论。上一回我们提到它由流体力学方程，物质守恒方程和牛顿引力的泊松方程构成，而这组方程又可以被写为，描述在宇宙膨胀过程中扰动随时间（温度）变化的一个方程，对此方程在小扰动时可做线性近似。得到的结果是：膨胀的介质中自引力效应只是幂律的（而静止介质中则是指数的），因此宇宙结构形成很缓慢；在辐射为主的时期，实物的扰动更慢（几乎是线性的）；到了宇宙的曲率为主时期，扰动增长几乎停止（我们现在的宇宙处在曲率为主早期）；在扰动很大的情况下，不再能使用线性近似，扰动呈非线性增长（非线性增长会使大质量恒星逐步变成黑洞）；Jeans的自引力理论的特征值是Jeans长度和Jeans质量，就是说一个扰动的波长要大于Jeans长度或者说一个扰动范围的质量要大于Jeans质量。因此，我们可以推知，为了得到合适的扰动结构，要么初始扰动够大，要么扰动时间够久，然而就第一段的论述可见，重子物质这两个条件都无法满足。
关于初始扰动，一个关键的问题在于这个扰动是怎么产生的？产生于何时？在说这个之前我们先看一下视界的概念，以及它和扰动长度之间的关联，所谓视界就是指光能联系的长度，随着宇宙增长，视界是越来越大的。而某一尺度的结构扰动Jeans长度却是确定的，或者说某一质量天体结构的Jeans长度的是确定的，比如对于星系而言，大约是1Mpc。因此如果一开始一个扰动是超视界的，即Jeans长度大于视界，那么伴随宇宙膨胀，这个扰动会逐渐进入视界，Jeans长度越大进视界时间越晚。根据目前观测显示，星系（1Mpc）的进视界时间大约在辐射为主的晚期，星系团（5Mpc）的进视界时间大约在辐射与物质等量时刻，超团（50Mpc）大约在实物为主的前期。前面说的重子物质的有效Jeans长度或者有效Jeans质量太大，就是说在上述三种天体结构的进视界时间处，由重子气体形成的Jeans长度大于扰动长度，因此不能够开始结构形成。
让我们回到初始扰动如何产生的问题上。根据目前的观测显示，如果各天文结构的初始扰动发生在进视界的时刻，那么由于这些结构的进视界时刻基本在实物为主左右，因此扰动呈线性增长，根本无法形成今天的结构。这就是说，扰动必发生在超视界的时候，等到演化到进视界时，相当于已经有了一个初始扰动谱。那么超视界的时候发生着什么呢？如果在Plank尺度没有别的理论存在，那么极早期宇宙的视界极小（大约是今天的10^-29的量级），这意味着这个视界以外的宇宙区域完全没有联系，那么又将如何产生宇宙学尺度的扰动呢？除非在这个尺度以上的物理是亚视界的，而这也恰好是对宇宙大爆炸理论的一个支持。所以总结一下，初始扰动应该是发生在宇宙大爆炸以后，在超视界的时候需用广义相对论来考量，进入视界后则用Jeans理论来描述。这也是我们今后讨论结构形成的一个起点。最后说一点就是一般我们对星系、星系团、超团可以选用同样的初始扰动谱，而对结构形成几乎无影响，这个值大约是10^-4。
现在合适的结构形成条件基本归结于，要有别的东西，帮助重子物质形成结构
。我们已经知道结构形成的过程其实是引力在发挥作用，那么在不改变初始扰动的情况下，只有增加引力才可以对重子物质有积极的影响，事实上有研究者试图通过修改引力理论来做到这一点，但是这样做并无必要（如果仅仅为了这一点），因为我们前面知道宇宙中的实物质量密度中绝大部分并非来源于重子物质（就是不存在于粒子物理标准模型之中），我们完全可以引入新的粒子，即回答质量密度的问题，同时又因为新的粒子的引力可以施加于重子物质之上，而解决结构形成的疑难，一石二鸟。
在下一回里我们将看到这些新的粒子有什么特性，以及它们对结构形成的影响。
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