bq5_org 大爆炸降至是一种 宇宙的起源演化与未来走向
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宇宙的起源演化与未来走向

发布时间:2015/5/26 14:57:34|浏览次数:

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(师天一的BLOG2009-04-09 19:59:08)

    我们的宇宙究竟是如何起源演化的?它的未来走向又将会怎么样?许多年以来,这一直是引起人们兴趣和关注的两个重要问题。由于科学家们的不断努力,现已使我们对这两个问题的认识有了突破性的进展。

                                       宇宙的起源与演化 

    现代宇宙学家将广义相对论和量子理论结合起来研究宇宙的起源和演化,进一步完善了大爆炸起源学说,为我们勾画出这样一部宇宙起源演化简史:

    大爆炸开始:宇宙从超高密度、超高温度和尺度小于10-33厘米的超微观状态开始的大爆炸约发生在距今100亿年至200亿年之间,以前一般估计宇宙大爆炸发生在150亿前年左右,但最新的结论是约发生于137亿年前。

    从大爆炸开始到大爆炸后10-44秒之间这段时间,温度高达1038K(K代表绝对温度)。科学家现在还无法了解那时的空间、时间和物质形态等情况。那时,时间和空间都小于普朗克尺度,时空还没有独立形成,不能区分引力、电磁力与强核力与弱核力这四种作用力,称为普朗克时期。

    大爆炸后10-44秒至10-36秒的时期,引力被分离出来,其余的三种作用力:电磁力、强核力与弱核力还统一在一起,称为“大统一”时期。此时,引力极强,引力能转化为粒子。

    到大爆炸后10-36秒时,温度降至1028K。重子(比质子质量更大的基本粒子,包括质子、中子和和各种超子)不对称形成,即重子数比反重子数多。结果导致了今天的正物质比反物质多。如果当时重子数与反重子数相等,在宇宙冷却过程中重子与反重子就会全部湮灭,就不会有今天的物质世界。

    在大爆炸后10-35至10-33秒之间,宇宙以大大高于正常的速度急速膨胀---暴胀。暴胀的程度使宇宙在极短的时间内尺度扩大了1043 倍。温度随之迅速下降。此时,强核力已被分离出来,但电磁力与与弱核力还尚未分分离。

    到大爆炸后10-12秒时,电磁力与弱核力分离。至此,引力、电磁力与强核力与弱核力这四种决定宇宙演化进程的作用力全都被分离出来了。

    大爆炸后10-6秒后,温度降至1013K。这时参与强相互作用的基本粒子,即强子,包括重子、π介子及其反粒子占了优势。宇宙进入强子时期。

    到大爆炸后10-4秒,温度还高于109K。这时,光子碰撞产生正反粒子与正反粒子湮灭产生光子的反应处于平衡状态,光子数与粒子数一样多,强子破碎为夸克,夸克处于渐进自由状态。于是,轻子,即不参与强相互作用的基本粒子,包括电子、μ子、中微子及其反粒子占了优势,宇宙进入轻子时期。

    大爆炸后少于1秒的时期内,物质的最初形式是光子、夸克、中微子和电子,然后是质子和中子 。

    大爆炸后1秒至3分46秒,是宇宙最初元素合成时期,亦称核形成时期。在我们宇宙中最初的原子核氦、氘(重氢)和一些锂核几乎全是在核形成时期创生的。至3分46秒,所有能量转化为物质的反应都已停止,宇宙最初元素已全部产生出来。所谓的三分钟创造宇宙的说法皆源于此。

    大爆炸后1011秒后,光子和重子退耦,在此之前宇宙中辐射密度大于物质密度,故有辐射为主期之称。在此之后,物质密度超过辐射密度,于是宇宙一直处于物质为主期。

    大爆炸后30万年后,温度降至4000K,化学结合作用使电子与原子核结合成中性的原子。光不再有足够的能量将电子撞离原子核和质子。从此一直被电子搅乱的光能够以直线方式前进,于是宇宙放晴。宇宙主要成分为气态物质。由于宇宙中的物质密度并不完全均匀,密度大的部分因重力而收缩。

    大爆炸后10亿年左右,物质成团,形成原始星系和类星体等天体,合成重核。接下来就是包括银河系在内的其它星系陆续形成。 

 宇宙的起源演化与未来走向 

图1宇宙起源演化示意图

 

  50亿年前左右,太阳系诞生,我们的地球形成于46亿年。

  40亿年前,地球生命诞生。

  500万年前,人类诞生。

  400年前,人类发现日心说。

  公元2000年,人类进入高度发达文明。

 

宇宙的未来走向

    目前,我们的宇宙仍在不断膨胀。今后它是继续膨胀,还是到一定时候往回收缩?判断的依据是宇宙的平均密度。计算表明,终止膨胀的临界平均密度为10-31克/立方厘米。如果宇宙的实际平均密度大于这个临界平均密度,宇宙就将往回收缩,直至大挤压成一个奇点。如果二者相等,就按目前的速度继续膨胀。如果小于临界平均密度,则就加速膨胀。问题在于要弄清宇宙的实际平均密度究竟是多少。过去一直没有搞清,所以在2000年前的教科书中都只说有以上三种可能性。

   

 宇宙的起源演化与未来走向

图2判断宇宙未来的依据

 

    最近,科学家在确定宇宙的实际平均密度方面已取得突破性进展。就目前所知,在我们宇宙中发光体的质量占4%,暗物质的质量占23%,暗能量占73%,实际平均密度为10-33克/立方厘米,远远小于临界平均密度,所以我们宇宙的未来走向将是加速膨胀。

    随着恒星不断从气体中诞生,气体越来越少,直至无法再形成新的恒星。我们的太阳将于50亿年后燃烧殆尽,与太阳具有同等程度质量的恒星燃烧殆尽后就失去温度而默默死亡。如果是质量较太阳重的恒星, 则引起整体性的大爆炸,然后成为中子星和黑洞。1017至1018年后,星系中的一般星球不再存在,只留下质量轻而低温的星球、中子星和黑洞。黑洞则可以吸收周围物质而壮大。恒星中质子开始变得不稳定。1024年后,质子开始衰变成光子和各种轻子。1034年后,衰变过程结束,宇宙中只剩下光子、轻子和大黑洞。随着时间的推移,黑洞终于无法取得可被吸收的物质,于是进入蒸发阶段。越重的黑洞温度越低,但长期的蒸发现象使质量减少并升高温度,以大爆炸结束。10100年后,黑洞完全蒸发,成为宇宙演化的结局。  

    说到这里,也许有人问:我们的宇宙真是如大爆炸学说所描述的那样起源和演变吗?应当指出:到目前为止大爆炸学说还只是一种假说,但它所说的一切不仅严格符合爱因斯坦相对论和量子力学的理论,而且还得到观测上的重要支持,所以它被认为是一种比较科学的假说。还需指出的是:所谓我们的宇宙是指目前我所能了解的那一部分宇宙,所以不能用它在时间和空间上的有限性来否定整个宇宙在时间和空间上的无限性。

 


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