登陆注册
444700000082

第82章 宇宙大爆炸(下)

 辐射和热平衡

尽管伽莫夫的大爆炸理论可以用来说明某些元素的形成,但用大爆炸理论解释所有元素的生成却遇到了相当大的困难。后来,该理论被恒星和超新星合成元素的理论取代,到20世纪60年代,伽莫夫的大爆炸理论几乎已经被人遗忘了。

迪克并没有忘记伽莫夫关于原始火球的预言,根据这个预言,大爆炸还有辐射遗留到今天。迪克正是沿着伽莫夫的思路去寻找原始火球辐射遗迹的,并获得了极大的成功。

一个单独的光子穿越宇宙时会发生什么变化呢就现在的宇宙而言是不会有很大变化的。100亿光年以外的物体所发出的光线看来是完全正常地到达我们这里的。这就说明,无论星系际空间中的物质是什么,它都必须足够透明,以致光线经历相当于宇宙年龄的一个可观的时间以后仍然没有被散射或者被吸收。

在宇宙膨胀的初始阶段,宇宙的内容物是如此炽热和紧密,以致它们根本不能团聚成星系或恒星,这时即使是原子也被破裂为组成它的原子核和电子。在这样不利的条件下,一个光子不可能像在现在的宇宙中那样通行无阻。光子在它的旅程中会碰到大量电子。电子能散射它或者吸收它。一个光子被电子散射,通常要失去或获得一点儿能量。光子在能量发生显著改变之前能飞行的“平均自由时间”是非常短的。尽管宇宙在起初是非常迅速地膨胀的,但对一个光子、电子或者原子核而言,膨胀一点点所需的时间就很长,已经足够使它们被散射、吸收、重新发射很多次了。

于是,在每一时刻,由于光子与物体的相互作用,宇宙都可以达到一个平衡,这种平衡称为“热平衡”,有一个温度作为特征。所以现在你应该明白,宇宙每时刻都能用一个温度来标志,尽管这温度是随时间一直改变的。并且这个温度并不表示宇宙中每一个地方都处在这种温度下,而是说在宏观的宇宙极尺度上,宇宙大部分处于这种温度下。

有了温度和“热平衡”概念之后,我们就继续吧!

 大爆炸理论阐述

大爆炸理论认为,宇宙诞生于高温、高密度状态,开始于一次猛烈的巨大爆炸。它是空间自身的膨胀,物质随空间膨胀,均匀地各向同性地分布在空间。如同均匀布满星点的气球,随着“气球”的膨胀,星点之间距离增大,却保持均匀且各向同性。

大爆炸后的10+{-44}秒称为普朗克时期,温度高达10+{38}K。这时的宇宙应当用量子引力理论(目前还不完善)来处理。宇宙中现有的四种相互作用力(电磁力、强力、弱力和引力),在开始时可能是统一的。到普朗克时期首先分出引力。此刻引力极强,引力能转化产生了粒子。

大爆炸后10+{-36}秒,温度降到10+{28}K,是强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用大统一时期。这时形成重子(比质子质量大的粒子,包括中子和各种超子),且重子数比反重子数多,导致今天的正物质(如负电子)比反物质(如正电子)多。

大爆炸后10+{-6}秒,温度降到10+{13}K。这时,参与强相互作用的基本粒子占优势,包括重子、π介子及它们的反粒子等。

之后的0.1秒,宇宙温度是3×10+{10}K,膨胀速率也已大大减慢,宇宙的特征时间尺度是0.2秒,虽然核子与光子数量之比仍是1∶10亿,但中子数与质子数之比就不再是50∶50,而是38∶62。

约在t=0后的1/3秒,宇宙中发生了一个重大变化。在早期火球的高温条件下,粒子之间很容易发生许多反应,包括电子、正电子和中微子之间的互变,即正负电子对湮灭而生成中微子—反中微子对,以及反向转变,还有核子反应。但是中微子在任何我们视为正常的条件下都很难与其他物质作用。它们能直接穿过地球而不受什么影响,太阳核心的核反应产生的中微子流也径直穿过太阳而去,并不受什么影响。对中微子而言,通常物质都是透明的,这里的“通常物质”包括任何不如创世后1/3秒内那样极端的状态。从那个时刻或稍后起,中微子停止与电子、正电子或任何其他粒子反应,而是保持作为一种背景海(颇像宇宙微波背景辐射,但难以探测得多)充斥于宇宙之中,对宇宙的演化只起次要作用。

大爆炸后1秒,温度降至10+{10}K,这时正反粒子大都湮灭了,只剩下光子、中微子以及极少量的电子、质子和中子。在1秒末,宇宙尺度只有5光年,物质能量还很大,光子和中微子占优势。

科学家普遍认为,氦和其他几种轻元素是在宇宙早期3分钟内合成的,其他元素则在恒星演化的漫长过程中形成。宇宙温度降到10+{9}K时,质子和中子结合形成氘和氦的核。当温度降到10+{8}K时,核形成停止,大约持续3分钟,全部物质质量的25%~30%变成氦核。这与今天观测到的氦丰度相符。

宇宙温度降到3 000K以下时,粒子的热运动能量减少,电离物质开始复合成中性物质,自由电子减少,辐射与粒子各自独立演化。这个时期称为退耦时期。由于物质不再受布满宇宙的辐射的影响,当发生非均匀扰动时,就容易分裂和聚集,在引力作用下形成原星系,最后演化成星系。此时,有效温度降低,直到各向同性的2.7K背景辐射。

 大爆炸理论的难解之处

大爆炸宇宙论解释了众多观测事实,如天体年龄、哈勃关系、星系分布、氦丰度、射电计数及宇宙微波背景辐射等。目前看来它是最成功的宇宙模型理论。然而,虽然大爆炸宇宙论取得了辉煌的成就,但它所提出来的问题远比它所解决的问题多,它也遇到了难以克服的困难。

大爆前物质必须堆积在一个很小的区域,造成原初宇宙火球极高温度和无限大密度的状态,用当今的物理和数学是无法解释的。而且这个理论还需要更多的观测事实来检验,随时都可能面临着新的挑战。正因为这样,现代宇宙论仍然是科学前沿,吸引着越来越多的人的兴趣。

同类推荐
  • 探秘:世界未解之谜(地球篇)

    探秘:世界未解之谜(地球篇)

    地球是我们人类赖以生存的家园,是创造和养育了众多生命的伟大母亲。然而,作为高等灵长类生物,人类在地球上生存的时间并不长。虽然,人类至今已经在科技领域取得了一系列重大突破,但是我们仍然无法解释许许多多地球上的谜团。
  • 环球风情

    环球风情

    《巅峰阅读文库·我的第一本探索书
  • 有趣的昆虫王国

    有趣的昆虫王国

    广袤太空,神秘莫测;大千世界,无奇不有;人类历史,纷繁复杂;个体生命,奥妙无穷。
  • 飞碟探索30年

    飞碟探索30年

    将《飞碟探索》自创刊起,30年来的所有有关飞碟的尘封的或最前沿的珍贵资料悉数整理披露,首次集结成书权威曝光!40万字精华、经典记录,近百位专家、发烧友目击、研究纪录,并配有数百幅珍贵飞碟秘照,向读者系统、全面、直观地解读中外飞碟探索之旅。维基解密、霍金理论、地下实验、争议目击、神秘劫持……起源!事件!风声!秘密!真相!国内第一飞碟杂志30年研究精华结晶!为您一一探秘飞碟及外星人的前世今生。这是一本足以让飞碟“发烧友”大呼过瘾的飞碟圣经。
  • 生命秘密(生命百科)

    生命秘密(生命百科)

    生命秘密遗传人人都有自己的才能和自己的性格。有的时候这种性格看起来好像是从我们的祖先那里遗传下来的,然而要想再追究这些性格是来源于何处,却又是一件非常非常困难的事情。
热门推荐
  • 老公大人别宠我

    老公大人别宠我

    无止境羞辱、伤的遍体鳞伤的她要如何拉回他的心?曾经的他们那样相爱,曾经的他们那样幸福却因猜忌、不信任,最终放开彼此的手。又因不舍,强取豪夺放在身边。越是爱得深,越是无法轻易原谅背叛。时过境迁后想起,其实又何必。君奕!你可曾想过,终有一日真相大白,你会不会后悔,曾经如此伤害你最爱的女人?
  • 公民的责任与权利:中小学法治教育漫谈

    公民的责任与权利:中小学法治教育漫谈

    对责任的理解通常可以分为两个意义。一是指分内应做的事,如职责、尽责任、岗位责任等。二是指没有做好自己工作,而应承担的不利后果或强制性义务。《中华人民共和国教师法》对教师的权利和义务的规定,教师个人不能任意选择,也不能自行放弃,而且权利和义务具有交叉性,如教师教书育人既是其权利也是其义务。学校是享有一定权利并承担一定义务的社会组织,属于教育法调整的重要对象。我国是一个法治的国家,公民享有基本的权利,但权利与义务并存,在享受权利的同时,我们也要尽到自己的一份责任,本书就是从公民的权利与责任出发,让广大青少年更好的了解自己能做什么,要做什么,应该做什么。把我国的法治发展推向更好的发展。
  • 上官妖儿

    上官妖儿

    她是杀人机器,有着两世记忆的她生性无情在一次任务执行中她突然想看看再死一次还有没有以前的记忆她是孤儿身无可恋就这样意外的穿越了到了一个不知名的时代灵魂负在了一个王妃身上她是个庸懒的人,可是要是有人惹到她那人就惨了她武功诡异难测,医术.毒术出神入化看她如何在古代掀起风波
  • 世界最具幻想性的童话故事(5)

    世界最具幻想性的童话故事(5)

    我的课外第一本书——震撼心灵阅读之旅经典文库,《阅读文库》编委会编。通过各种形式的故事和语言,讲述我们在成长中需要的知识。
  • 命运之月

    命运之月

    这是个魔法横冲的空间,命运之轮不停的转动,把每个人都卷进这无无底的漩涡之中,挣扎,奋斗,不停的攀登,能否在最后登上命运的顶峰,一切……还是未知数。权力,魔法,没人,充斥着生活的每一秒钟,最终谁会走到最好,让我们拭目以待
  • 宇宙的起源(自然瞭望书坊)

    宇宙的起源(自然瞭望书坊)

    人类是宇宙演化的杰作,宇宙是神秘莫测的存在。当宇宙的精灵与莫测的神秘结合在一起时,便碰撞出无数精彩的篇章。人类对宇宙的解读和探秘跨越了千年,宇宙的面貌也越来越清晰地展现在人类面前。
  • 嫡女棣王妃

    嫡女棣王妃

    “姨娘,夫人似乎断气了~”“哼!这么一碗药都下去了,难道她还能活着不成?”“那这······”一个年纪稍长的人朝着这位称作姨娘的人示意了一下自己手中的婴儿,似乎有些犹豫,“这好歹是个男孩,现在夫人已经死了,如果姨娘把他占为己有,然后得了这府中的中馈······”“嬷嬷?!”女子也不等她的话说完,就打断了她,“你记住了,我恨死了这个女人,她的儿子,只能随着她去,我就是以后自己生不出儿子,抱养别人的,也不会要她的。把他给我扔马桶里面溺了,对外就说一出生就死了!”猩红的嘴唇,吐出来的话却是格外的渗人。嬷嬷还想说什么,动了动嘴,却是一句话也没有说,转身朝着后面放着马桶的地方走去。却是没有发现旁边地上一个穿着有些破旧的衣服的小女孩此刻正瞪大了眼睛看着她们两。这是什么情况?自己不是被炸死了吗?怎么会······于此同时,脑中不断有记忆闪现出来,她们是自己的母亲和刚出生的弟弟啊?!不行,先救人。转头看见旁边谁绣花留下的针线跟剪刀,想到自己前世的身手,拿起一根绣花针就朝着那个嬷嬷飞了过去,却在半路上掉落下来,暗骂一声,这人是什么破身体。却引得那两个人听见动静看了过来。女人阴狠的盯着她,“你居然没有死?”微微眯起眼睛,自己的前身也是被她们弄死的了,看样子她们谁也不会放过,抓起旁边的剪刀就冲了过去。随着几声惨叫声,从此以后,府中府外都传遍了她的“美名”——凤家大小姐心肠歹毒,刺伤了府中无数的人,宛如一个疯子。
  • 尸心不改

    尸心不改

    控尸门的欢乐二缺弟子江篱炼了一具美得人神共愤引得天雷阵阵的男尸,以为好日子开始了,结果没想到门派惨遭灭门。--情节虚构,请勿模仿
  • 三色堇

    三色堇

    国破城亡,女皇以身殉国,繁华一梦过后,一切本该烟消云散,却谁也没想到这正是另外一场浩劫的开端。季幽淋原本是个脸上长着奇怪胎记的小女孩,在二十一世纪过着自卑、胆怯的生活。没想到平静的日子忽然被打破,她穿越到了另外一个时空,成了沧云国一支后裔部落的命运之女,为了复国而四处奔走。情节虚构,请勿模仿!
  • 洞穴大冒险(科学大探险)

    洞穴大冒险(科学大探险)

    乐乐淘是一个爱冒险的小男孩,在布瓜博士的帮助下,他与好朋友小猴一起进入了一个神秘的洞穴,开始了他们的秘境探幽之旅,并经历了一系列离奇精彩的故事。乐乐淘随身携带的背包可以从中取出任何想要的东西,解决在旅途中遇到的问题;而飞毯的神奇之处在于它可以根据需要变化,可以变成雪橇、潜艇、轮船等等。在这个故事中,所有的动物都是拟人化的,它们像人类一样生动、可爱。在这个幽深的洞穴中,他们看到了丰富多样的生物群和令人惊叹的洞穴景观,并通过远程链接布瓜博士,通过他们在旅行中的所见所闻,解答他们所有的疑问。