宇宙大爆炸、黑洞等科学名词的正确理解

作者: 陈少豪

来源: 返朴

发布日期: 2024-04-07 07:23:02

本文对宇宙学与天体物理中一些广为人知的物理名词进行详细解释,包括宇宙大爆炸、黑洞、超新星爆发等,纠正了公众对这些名词的常见误解,并探讨了这些现象背后的物理含义。

在科学研究中,科学家每次发现新的自然现象或提出新的科学概念,都会创造专有名词来命名。命名好了,可帮助理解。复杂的现象、艰深的概念会因为直观易懂的名字而让人铭记。有些科学名词引人入胜,激起人们的好奇心和探索欲。如果命名不好,会让人或产生误解,或望文却步。本文将对宇宙学与天体物理中一些广为人知的物理名词作一番“咬文嚼字”,细究其词义,探讨背后的物理含义。

宇宙大爆炸不是爆炸。

宇宙(Universe)是指空间与时间(Spacetime)的总和,包含了时空中所有的物质和能量。英文Universe一词含有Unique(即唯一)的意思,也就是说只有一个宇宙,宇宙包含了一切。物理学中有多重宇宙(Multiverse)理论,该理论认为存在多个相互独立的平行宇宙(Parallel Universe)。然而,这仅仅是一个基于数学逻辑的假设,无法在真实世界中被证实。

我们身处其中的宇宙起源于距今约137.8亿年前的一次大爆炸(The Big Bang)事件。大爆炸理论是目前公认的最可靠的宇宙起源说。令物理学家确信大爆炸理论的最重要证据是宇宙微波背景辐射(Cosmic Microwave Background)。已有大量观测结果证实,来自宇宙所有方向的微波都有一个稳定的背景温度——2.7开尔文。这个背景温度是宇宙大爆炸预留下来的。

宇宙大爆炸的意思是说,宇宙从一个极小的空间开始在极短的时间内极速膨胀(Expansion)。这与人们所熟知的炸弹爆炸(Explosion)不是一回事。不管是化学物品的爆炸还是核弹的爆炸,都是指物质或能量在空间中迅速往外扩散,而宇宙大爆炸则是指整个宇宙空间本身在迅速膨胀。英文里的Bang这个词是指爆炸的声音,显然也没能抓住本质。

不管怎样,英文的The Big Bang与中文的宇宙大爆炸这个词都已被人们广泛接受并使用。

黑暗时期没有可见光。宇宙大爆炸开始之后,空间迅速膨胀,温度迅速降低。在最初的1万亿分之一秒内,四种基本相互作用先后分离出来。在随后的10秒钟内,各种基本粒子先后形成。有些基本粒子传递相互作用,而另一些基本粒子则在大约17分钟(1000秒)内构成原子核。

由于大部分粒子都已与反粒子发生湮灭,在接下来约37万年的时间里,宇宙的能量主要以光子(Photon)的形式存在。此时的宇宙中含有一大团由原子核、电子和光子构成的高温高密的等离子体。光子频繁地与原子核、电子这些带电的粒子发生碰撞,因此光子的平均自由程很短,导致宇宙不透明。虽然有光子,但不能被观测到。

超新星爆发不诞生新星。第一代恒星未曾被直接观测到,仅仅是在理论上推测其为非金属星。

这是因为,宇宙大爆炸过程产生了氢和氦,但没有产生金属元素。与通常所说的金属不同,在天体物理中把比氦重的元素统称为金属元素。恒星内部发生大量氢核聚变(Fusion),由聚变提供能量来抵抗引力坍缩。聚变不断把氢变成氦。对大质量的恒星,当其核心的氢被耗尽,外壳的氢开始发生聚变,这会使得恒星体积逐渐增大,直至变成红超巨星(Red Super Giant)。

如果恒星核心的质量超过钱德拉塞卡极限,由于电子简并压力无法抵抗引力,核心将会突然坍缩。坍缩的过程中产生巨大的爆炸,将恒星的大部分物质高速向外抛出,这个过程称为超新星爆发(Supernova)。超新星爆发产生极强的电磁辐射,发出亮度极高的可见光,并可能持续数周、数月、甚至数年。超新星的英文名称为Supernova,其中nova在拉丁语中是“新”的意思,即是说,新出现一颗亮星。

事实上,这颗恒星早就存在了,只因其亮度突然大幅增强才被地球上的观测者发现,因而曾被人们误认为是出现了一颗新星。

黑洞是洞吗?超新星爆发剩余的恒星核心继续坍缩,巨大的压力导致质子吸收电子,转变成电中性的中子。恒星核心最终形成由中子构成的致密天体,称为中子星(Neutron Star)。一般中子星直径只有大约10公里,比一个城市还小。

中子星就像是个巨大的原子核,其密度远远大于地球上常见的由原子构成的物质。中子星上的一小杯物质的质量超过地球上所有人类的质量总和。如果恒星核心的质量足够大,将会继续坍缩至小于史瓦西半径,最终形成黑洞(Black Hole)。黑洞的引力场是如此之强,以至于物质和电磁波(包括可见光)都不能逃逸出来。不能逃逸的区域边界称为事件视界(Event Horizon)。

类星体与类星不同。

最后来看与黑洞相关的两个容易混淆的名词——类星体(Quasar)与类星(Quasi-star)。20世纪五六十年代,天体物理学家观测到了一些从遥远宇宙空间传来的无线电波,但起源令人费解,于是将其描述为类恒星无线电波源(Quasi-stellar Radio Sources)。

发出这些无线电波的天体则被称为类恒星天体(Quasi-stellar Objects),缩写为Quasar,中文翻译为类星体。然而,后续的研究表明,类星体是正在被超大质量黑洞吸收的星系(Galaxy),实际上与恒星(Star)并不类似。类星体活跃的高峰时期在大约100亿年前,也就是说,类星体距离地球100亿光年以上。

当时宇宙中有些星系恰好接近黑洞,在黑洞强大的引力作用下,星系中的物质高速旋转坠落,形成吸积盘,巨大的能量以电磁辐射的形式释放出来。这个过程产生的光度远远大于任何恒星的光度,使得类星体成为宇宙中最明亮的天体之一,即使在遥远空间的类星体也能被地球上的人类观测到。与类星体(Quasar)不同,类星(Quasi-star)则是指一类在宇宙早期形成的假想恒星。

与现代的恒星不同,类星的中心有个黑洞,因此它的另一个名称是黑洞星(Black Hole Star)。根据理论计算,当一颗恒星坍缩成黑洞时,如果恒星外壳拥有足够大的质量,大到可以吸收坍缩产生的能量而不发生超新星爆发,就会形成一颗类星。质量如此大的恒星,只可能在氢和氦还未聚变成金属元素的宇宙早期才会存在,即可能在第一代恒星中存在。

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