宇宙起源

作者: ⼤美科学⼩编

来源: ⼤美科学

发布日期: 2023-08-21 11:52:55

本文探讨了宇宙的起源,从五百年前人类对地球是否为宇宙中心的争论,到爱因斯坦的相对论及其对能量和物质转换的理解,再到宇宙大爆炸理论和暴胀理论的解释,详细描述了宇宙从热气团到形成物质的过程,以及宇宙的膨胀和降温如何影响物质和能量的转换。

五百年前,⼈类还为地球是不是宇宙的中⼼争论不休。通过对⽕星轨道的观测,尤其开始使⽤犀利的望远镜后,太阳是我们宇宙中⼼的事实,终于尘埃落定。望远镜也像魔镜⼀样,打开⼈类的视野,直直伸向⼏近⽆穷的苍穹。

爱因斯坦最为⼈知的当然是他的相对论。相对论中有个重要概念,就是能量和物质的转换。当时核物理尚未出现,离第⼀颗原⼦弹爆炸还有40年,他就先把原⼦弹的核⼼物理放在那,等以后的⼈类使⽤。

他的理论说,能量E和物质静⽌时的质量m,可透过公式E=mc2互相转换(c为光的速度)。⼀⼩块东⻄如果完全依这个公式转变成能量,将巨⼤⽆⽐,是核能的来源。经由现代粒⼦加速器中实验证实,光能量也可称光⼦能量,和物质质量间的互相转换,的确有如阳光⼤道,畅通⽆阻。

爱因斯坦看得很清楚,物质和能量既然这么容易互相转换,那能量(即光⼦)也应像物质⼀样,受万有引⼒控制。⻜在天上的东⻄最终会往地下掉,光⾃然也该朝有重⼒场的⽅向弯曲吧?星光向太阳⽅向弯曲的现象,在1919年⽇全⻝时,扎扎实实地被⼈类测量到了。爱因斯坦的预⾔被证实,⼀夜之间使他成为⼈类有史以来最为⼈知的科学家。

但到现在⼈们还常问,宇宙以强势的“⼤爆炸”拉开序幕时,就只有那么⼀团“热⽓”,看不到以后遍布宇宙的物质材料,像星星、⽉亮、⾼⼭、⼤海什么的,它们从哪来的呢?问得好!宇宙“⼤爆炸”上台时,全身披挂的就是那团电磁波能量的“热⽓”爆炸后膨胀,⼀膨胀就开始冷却、降温。在不同温度,经由能量转换特定质量的公式,开始将光能量转化为物质,制造出许多各类粒⼦和反粒⼦如质⼦和反质⼦,电⼦和反电⼦(正电⼦)等。

重的粒⼦如中⼦,在温度约11亿度时,由能量转换成稳定物质。轻的如电⼦等,会在较低的温度稳定出现,皆按爱因斯坦给我们的物理定律现身和办事。

爱因斯坦的光⼦能量,除了能由“热⽓”变成粒⼦外,还有另⼀个惊天动地的特性,就是,光⼦在宇宙中跑的速度恒定不变。在爱因斯坦之前,19世纪的⼈类,认为光的传播需要介质或载体。⽔波要在⽔中才能传播,那么光也得需要介质,即以太(ether),才能传播才是。光在以太中传播的速度,应和以太本身的速度有关。换⾔之,只要以太这类介质存在,光在以太中传播的速度就可快可慢。

于是⼈类开始⾟苦地在宇宙中寻找以太,但最后竟然发现宇宙中没有以太这玩意⼉。以太不存在,给了爱因斯坦灵感,就要求光在宇宙中传播速度恒定。速度⼀般以距离除以时间来计算。现在光速不变,那对距离和时间的要求就要放松。于是,爱因斯坦的相对论中,时间和空间都可伸缩,以达到光速恒定不变的要求。

爱因斯坦的宇宙究竟是胀还是缩,就连他本⼈也看不清楚,只确定宇宙中的天体是动态的。

但在1915年前后,爱因斯坦仰望星空,看到的仍是⽜顿静⽌宇宙的紧箍咒,魔法依旧⾼悬。其实,爱因斯坦相对论呈现出来的宇宙,和⽜顿的绝对静⽌的宇宙在概念上是不同的。⽜顿的天体,得完美地、坚固地安排在⼀个⽆穷⼤和⽆穷久的宇宙中。⽽爱因斯坦的宇宙,是⼀个在动态下平均值为静⽌的宇亩。这好⽐纽约第42街时代⼴场上的⼈潮,⼈来⼈往,摩肩接踵,移动不⽌,各向⽬的地前⾏。

但仔细观察,往北⾛的和往南⾛的⼈⼀样多,往东的也和往⻄的同数,并且⼤家⾏⾛的速度差不多。如果把所有⾏⼈的速度正负加起来平均⼀下,可能离零速度不远,这就是爱因斯坦想要达到的⼀个在动态下静⽌的宇宙。

以现在“暴胀”理论的理解,138亿年前,宇宙起源时有个⼤爆炸事件。爆炸前的宇宙超⼩,光能轻易横渡,整个宇宙之光亲密接触、混合搅拌,形成超均匀状态。爆炸开始后的10?3?⾄10?32秒间,宇宙以奇⾼⽆⽐的“伪真空”(false vacuum)量⼦振荡能量,以超过光速1亿亿亿倍的速度,⼀下⼦把宇宙“暴胀”了⾄少近1亿亿亿倍。

暴胀后的宇宙,充满了⾼能量的光⼦、电⼦、中微⼦、质⼦、中⼦以及它们的反粒⼦等,在极⾼温下,形成原始混沌的等离⼦体,光⼦和电⼦质⼦之间这推不停,产⽣了声波振荡。宇宙继续膨胀、继续降温,转眼37.6万年过去了。等到宇宙的温度降到3000K,电⼦速度够慢了,就被质⼦逮个正着,中性氢原⼦出现了,等离⼦体随着就没电了,光⼦推不到质⼦和电⼦,声波振荡就戛然⽽⽌。

光⼦没有电⼦和质⼦挡路,在最后刹那间,就以电磁微波记录下宇宙37.6万年时的天空形象,然后跟随膨胀的宇宙同步起舞,138亿年后,被⻉尔实验室的⼤⽿朵听到。

⽽不带电的中性材料,在⼤爆炸后宇宙留下的量⼦起伏的胎记诱导下开始朝物质多的⽅位凝聚。2亿年后,重⼒场终于引发了氢转氦的核变,发出了第⼀道光,星星出现了,星系不久后跟进。宇宙⼜继续膨胀了136亿年,展现出当下温柔平直的星空,璀璨瑰丽,供你我欣赏赞叹。

简单地说,我们的宇宙,就是这么起源的。

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