宇宙有限论

半剑飘东半剑西

       当两个电子靠近时，表观的理解是由于电荷符号相同，相互作用表现为排斥。
       本质上是两个电子交换虚光子，从而产生相互排斥的作用。
       当一个电子发射虚光子，被另一个电子吸收时，根据动量守恒，发射虚光子的电子会反冲（类似后坐力）；而吸收虚光子的电子会获得冲量。
       由于两个电子电荷相同，这种动量交换的净效果是彼此远离，表现为排斥力
      （可参考两个滑冰的人背对背扔篮球，每次扔球，自己都会向后退；接到对方扔来的球，也会被推得更远；不断背对背扔篮球、不断后退，最终结果是两人越离越远。）

       在两个电子的每个固定时刻，其之间的库仑斥力是持续存在的，但系统总能量不变。
       假如这个相互作用过程，传递电磁力的是实光子，其携带确定能量（E=pc），传递过程会导致电子动能变化，违背静态相互作用的本质。
       而虚光子可以仅传递动量而不转移净能量，才能满足此一需求。

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       如前所述“电磁力使得带正电的原子核与带负电的电子相互吸引，使电子被束缚在核外，形成稳定的原子”，其中虚光子的作用如何体现？
       在量子电动力学（QED）框架下，电子与原子核之间持续交换虚光子，这种交换并非传递能量，而是传递动量，从而形成稳定的电磁吸引力。
       这一过程可理解为：
       电子不断发射虚光子，原子核吸收这些虚光子，动量从电子传给（异号电荷的）原子核，会产生持续向心的库仑力；
       同时，电子也吸收由原子核发射的虚光子，动量从原子核传给（异号电荷的）电子，维持相互作用的对称性；
       这种双向动量交换的净效果，在数学上表现为一个持续的向心力，即库仑吸引力。

       电子与原子核之间持续交换虚光子，这种双向交换构建了一个动态平衡场，使电子被束缚在特定能级轨道上，而不会坠入原子核。
       这是电磁力与量子力学规则共同作用的结果。
       根据位置-动量不确定性原理（Δx·Δp ≥ ħ/2），若电子过于靠近原子核（位置高度局域化），Δx 变得很小，不等式右边是固定参数（ħ是约化的普朗克常数），Δp 必须很大（体现为动量高度不确定）；
       而动量的“平均平方” ⟨p²⟩ ∝ (Δp)² → 所以动能 <K> = ⟨<p²>/(2m) 会很大；
       这个巨大的动能形成一种“抵抗压缩”的效应，即“量子压力”或“简并压力”，将电子推回（离原子核远的位置）；
       由于能量量子化的原因，电子只能存在于离散的能级上，基态以下无更低能量状态可供跃迁，因此无法继续释放能量坠入核原子内。

       带正电的原子核与带负电的电子之间，虚光子作为电磁力的媒介其交换保持连续性，确保了这种束缚力在微观尺度上的连续作用，使电子保持在概率云分布的稳定轨道中。

       可类比地球绕太阳运行行为，太阳、地球的引力和质量差提供了向心力，地球受到太阳的吸引，同时地球公转过程保持了角动量平衡，使得地球不会坠入太阳天体中。

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§16 如何辨识反粒子

       所有的基本粒子和复合粒子，都有其反态，部分物质粒子的反态是它本身，在逻辑上可称其没有所谓的反粒子，但本质上其反粒子与其为同一种粒子。
       如何从现有物质粒子中，识别出其反粒子？

       规则一，如果某物质粒子带电荷，那么该物质粒子与反物质粒子，其质量、寿命、自旋量子数相同，所带电荷数绝对值相等、符号相反。

       故当观察到物质粒子的电荷符号（正电抑或负电）后，其反粒子的电荷符号刚好异号，可作为识别标志。
       基本粒子费米子可分为夸克和轻子两大类，轻子又分为带电轻子和中性轻子两个子类。
       夸克和带电轻子可由规则一，辨识其反粒子。

       规则二，中性轻子均有个“身份标签”是轻子数L，可通过含中性轻子的反应平衡方程求解出L值，L=1为中性轻子本身，L=-1则是其反粒子。

      基本粒子玻色子中，光子、胶子、希格斯玻色子的反粒子就是它自己。
      W玻色子中， W⁺和W⁻是带电的，由规则一判断，而且W⁺和⁻两者互为反粒子。Z⁰玻色子的反粒子是它自己。

      复合粒子的强子，包含重子和介子。
      带电的强子，按照规则一标识。

       规则三，中性重子均有个“身份标签”是重子数B，可通过含中性重子的反应平衡方程求解出B值，B=1为中性重子本身，B=-1则是其反粒子。

      中性介子中，π⁰介子与反π⁰介子是同一个粒子。
      K介子均带奇夸克或反奇夸克，具有奇异数。
      D介子均带粲夸克或反粲夸克，具有粲数。
      B介子均带底夸克或反底夸克，具有底数。

      规则四，中性K介子中，求得奇异数=1即为K⁰，如奇异数=-1即为反K⁰；中性D介子中，求得粲数=1即为D⁰，如粲数=-1即为反D⁰；中性D介子中，求得底数=1即为D⁰，如底数=-1即为反D⁰。

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§17  宇宙中第一个分子诞生之前

§17_1  宇宙中最早出现的基本粒子

      在宇宙年龄t=10^(-43)秒时，宇宙的能量尺度约10^19GeV，此值也称普朗克能标。
      宇宙当时属于时空泡沫阶段，所有四种基本力统一为“超力”，宇宙由“超力”主导。
      所有的“粒子”处于弦激发态，或未知量子引力激发态，因此，未出现任何基本粒子。

      在宇宙年龄t=10^(-36)秒时，宇宙的能量尺度约10^15GeV，此值也称GUT能标。
      “超力”中首先分离出引力，剩下的是由“强弱核力与电磁力”三力合并的“大统一力”。
      此刻如果预言中的引力子（质量为零、自旋为2的玻色子）真的存在，那将是最早出现的基本粒子玻色子，但引力子至今无法证明其存在性。
      另外，引力出现与引力起作用是两回事，此刻引力的作用在微观尺度上可忽略。
      可能存在的基本粒子，包括胶子、光子、W/Z玻色子等仍为统一场激发态，难于分辨。
      因此严格而言，此刻未出现任何基本粒子。
      而此刻，希格斯场已经存在，希格斯玻色子虽然被称为“上帝粒子”，但其“上帝”意涵体现在希格斯场，或应称为“上帝能量场”。

      在宇宙年龄t=10^(-32)秒时，宇宙的能量尺度约10^14GeV。
      强核力从“大统一力”中分离，剩下剩下电弱力（即电磁力与弱核力的统一形态）。
      胶子作为强相互作用的规范玻色子首次成为独立可识别的粒子。

      因此，宇宙中最早出现的基本粒子是胶子。
    （正是有了胶子，才能传递强核力，才能实现了色中性与“色禁闭”，“未来”三个夸克才能稳定地构成质子和中子，为构造原子核、构造未来世界奠定基础。）

     此刻，W⁺/W⁻、Z ⁰玻色子与光子处于混合状况，无法独立存在而被识别。
     （传递这一电弱力的粒子呈现为是四个无质量的规范场：W1,W2,W3和B。对应未来的W⁺/W⁻、Z ⁰玻色子与光子）
      夸克、轻子作为基本费米子，此时仍为统一场激发态，但可区分（无质量）。
      也因无质量而行为类似光子，难以形成稳定结构

      此时希格斯玻色子处于激发态不具物理可观测性（不可被探测）。希格斯玻色子的存在性是以希格斯场的存在性体现，但不如W1,W2,W3和B般对应粒子是混合一起的，希格斯场是对应独立一个玻色子。

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      在宇宙年龄t=10^(-12)秒时，宇宙的能量尺度约100GeV。
      在比t=10^(-12)秒稍早，例如t=5×10^(-13)秒时，
      电弱力中分离出电磁力与弱核力，电弱相变完成后光子成为可识别的粒子。W⁺/W⁻、Z ⁰玻色子虽然也可识别但没有被赋予质量，继续以能量场的形式存在。

      因此，光子成为宇宙中第二个出现的基本粒子。
      （光子出现的意义不仅仅是使得“宇宙未来”有了光明，而且是传递电磁力的媒介，正是有了光子，“未来”原子核和电子才能构成稳定的原子——物质世界的基础）

      与此同时，希格斯场出现量子激发，即“场的涟漪”，来自希格斯势能的自耦合使得希格斯玻色子的质量得以呈现；
      希格斯玻色子的质量，是由希格斯场的势能形状（特别是自耦合项 λ）决定的，数学上来自拉格朗日量中的：
       V(ϕ)=μ²∣ϕ∣²+λ∣ϕ∣^4
      在对称性破缺后，展开围绕真空期望值的小振动，自然导出其质量值，约 125 GeV/c²。
      （虽然希格斯玻色子的质量一种是存在的，但此刻被自然导出）

      因此，希格斯玻色子是宇宙中第三个出现的基本粒子。
      注意，前三个均为玻色子。

      在t=10^(-12)秒时，随着希格斯场量子激发的出现，希格斯机制被激活。
      此刻，已经可识别的W⁺/W⁻、Z ⁰玻色子，被希格斯场赋予了质量，从而此刻W⁺/W⁻、Z ⁰玻色子也可识别地出现。
      如此，全部的基本粒子玻色子均出现。

      本来已可被识别的夸克（上、下、粲等），通过汤川耦合（Yukawa coupling）与希格斯场作用，被赋予了质量。
     （由于除了希格斯场作用之外，还多出一个汤川耦合，因此其出现稍为迟于W⁺/W⁻、Z ⁰玻色子。）
      继而，轻子（电子、μ子、τ子及其中微子）中，中性轻子被希格斯场赋予了质量，带电轻子通过汤川耦合（Yukawa coupling）与希格斯场作用，也出现。

      至此，所有的基本粒子费米子均已出现。

     （没有质量的宇宙，只是场的形态；没有希格斯玻色子、没有希格斯机制，君、臣、父、子就只是“影子”而已）

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       宇宙的能量尺度GeV与宇宙温度K的换算为：
       1GeV=1.1604448×10^13 K。

      注：夸克有六味，理论上六种夸克（上、下、粲、奇、顶、底）的存在性几乎一样，被赋予质量在种类方面差不多是同时的。
      但是，上、下夸克质量极轻（< 5 MeV），而粲、奇、顶、底夸克重得多（从100 MeV到173 GeV），重夸克（如顶夸克）会通过弱相互作用迅速衰变为轻夸克（如顶夸克寿命 约5×10^-25 秒），因此难以“稳定存在”。
      因此在原初宇宙，主要观测到的是上、下夸克，还有低比例的奇夸克。

      另外，夸克与反夸克是同对出现，因此此刻可观测到的还有反上夸克、反下夸克，低比例的反奇夸克。
      但在宇宙的能量尺度约100GeV状况下，正反夸克没有发生湮灭，而是为强子化作准备。

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§17_2  宇宙中最早出现的复合粒子

       从电弱对称性破缺（t ≈ 10^(-12) 秒）开始，此时所有夸克和轻子都已获得质量，宇宙温度约为 100 GeV，夸克和胶子仍处于夸克-胶子等离子体（QGP） 状态——自由、无束缚。
此刻，宇宙中未出现任何复合粒子。

       在宇宙年龄t=10^(-6)秒时，宇宙的能量尺度约150~ 200 MeV。
      （与宇宙温度换算为1MeV=1.1604×10^10 K）
       宇宙间处于QCD相变阶段，强子化开始。
       此刻，三种π介子π⁺、π⁻和π⁰出现。
       三种π介子由夸克中最轻的上/下夸克及反上/反下夸克 组成，最先“凝聚”成束缚态。

       因此，π介子（π⁺、π⁻和π⁰）是宇宙中最早出现的复合粒子。
       π介子的诞生，是宇宙从“基本粒子汤”走向“物质结构”的第一道门槛。

      正是有了π⁺与π⁻这对互反介子，原子核中的中子-质子间才能建立“双向牵引”机制，正是有了π⁰这个互反相同的介子，原子核中的中子-中子间才能建立“双向牵引”机制；
      三种π介子的协同作用，才使得原子核中的全体质子、中子建立了“整体束缚”机制，形成稳固的原子核。
      没有它，就没有原子核、原子、分子、恒星、行星，也没有大千世界。

      几乎与此同时（略微后一丁点），K介子（K⁺、K⁻和K⁰）也出现，成为宇宙中次早出现的复合粒子，但比例低。

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       在宇宙年龄t=10^(-5)秒时，宇宙的能量尺度约100 MeV。
       宇宙的强子化完成，夸克禁闭完成。质子（p）和中子（n）两种稳定强子诞生。

       几乎与此同时，Δ重子（Δ⁺、Δ⁻、Δ⁰ 和Δ⁺⁺）也出现。
       因此，质子、中子和Δ重子是宇宙最早中的第三批出现之复合粒子。
       但是，Δ重子此刻是激发态强子，寿命极短（~10^(-23) 秒），会迅速衰变为质子/中子 + π介子。

       在宇宙年龄t=10^(-4)秒时，宇宙的能量尺度约50 MeV。
       Σ超子（Σ⁺、Σ⁻和Σ⁰）、Ξ 等超子出现，此为宇宙最早中的第四批出现之复合粒子。
      但其丰度极低，很快衰变。

      第三批中稳定存在的，就只有质子、中子，但最重要，是构成物质世界的重要基础。

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§17_3  宇宙中最早出现的原子核

       在宇宙年龄t=1秒时，宇宙的能量尺度约1 MeV。
       此刻宇宙之间的第一个原子核出现，即是氘核（2H），由一个质子和一个中子结合而成，但此时温度仍太高，光子可将其击碎（光致蜕变）。
       因此，严格而言，宇宙之间的化学元素仍然未生成。

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§17_4  宇宙中最早出现的中性原子和化学元素

       在宇宙年龄t=3分钟时，宇宙的能量尺度约0.1 MeV。
       宇宙处于原初核合成（Big Bang nucleosynthesis，BBN）阶段。
       在t=3分钟稍前，最早出现的氘核已经稳定，宇宙中最早出现的化学元素是氢元素。
       t=3分钟时，氚核也出现（氘核和氚核分别由一个质子和一个中子、一个质子和两个中子构成），氘核和氚核的进一步聚变生成氦-4（即氦核）。
       作为意外的产物，还有低比例的氦-3被生成。
       氦-3由两个质子和一个中子组成，氦-4由两个质子和两个中子组成。
       宇宙最早的第二种元素氦也出现了。
       几乎与此同时，稳定的原子核锂-7诞生，这意味着第三种元素锂出现。
       此阶段，宇宙中物质质量构成的比例，约为75%弱的氢核（仅一个质子无中子），约25%弱的氦-4核，以及微量的锂-7 。

       到宇宙年龄t=20分钟，原初核合成结束，产生了氢、氦和少量锂。

       原子核和电子，可构成原子，可观测的必定是稳定的原子。