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起源,歸宿,多重宇宙以及一切|內有福利

2019-10-30 06:28 weila

抬頭仰望星空時,你可能不會想到,我們現在看到的景象,是經過了137億年的演化才變成這個樣子。在這137億年里,那些點點繁星曾經歷了怎樣的生死輪回?十億、百億,甚至萬億年后,宇宙又會是什么樣子呢?

宇宙的起源與歸宿

在大約一百多億年前的某個時刻,我們現在能觀測到的所有物質和能量都聚集在一個比硬幣還小的區域里,隨后,它開始以一種不可思議的速度膨脹并冷卻。當溫度下降到1億倍太陽核心溫度時,自然界的那些基本作用力開始出現,基本粒子夸克則自由地徜徉在能量海洋里。接著,宇宙又膨脹了1 000倍,我們眼下能觀測到的所有物質占據的空間膨脹到了太陽系那么大。

那時,自由夸克開始被束縛在中子和質子里。當宇宙又膨脹1 000倍后,質子與中子開始聚在一起組成原子核,今天的氦原子和氘原子大部分就是那時形成的。以上所有過程都發生在大爆炸后的一分鐘內,此時溫度仍然太高,原子核還不能捕獲電子。

直到宇宙持續膨脹了30萬年后,中性的原子才開始大量出現,這時宇宙尺寸達到了現在的千分之一。此后,中性原子開始凝結成氣體云,這些云團隨后演化成恒星。在宇宙膨脹到現在尺寸的五分之一時,恒星聚在一起,形成了年輕的星系。

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當宇宙尺度達到現在的一半時,恒星里的核反應產生了大多數重元素,類似地球的行星就是由這些元素構成的。我們的太陽系相對比較年輕:形成于50億年前,那時宇宙尺度是現在的三分之二。

隨著時間流逝,恒星的形成過程會耗盡星系中的氣體,因此恒星數目正逐漸減少。再過150億年,像太陽這樣的恒星會更稀少,對天空觀測者來說,那時的宇宙將遠不如現在這般熱鬧。

對宇宙起源與演化的認識,是20世紀最偉大的科學成就之一。這些知識來自于數十年不斷革新的實驗與理論。地面上和太空中的最新望遠鏡接收著數十億光年以外的星系發出的光線,向我們展示宇宙年輕時的模樣。粒子加速器探索著早期宇宙高能環境下的基本物理現象。衛星探測著宇宙膨脹早期遺留下來的背景輻射,展現出我們所能觀測到的最大尺度上的宇宙圖景。

標準宇宙模型(也稱大爆炸理論)對這些海量數據的解釋最為成功。這個理論主張說,宇宙從初期的致密態開始膨脹,膨脹在大尺度上近乎均勻。目前該理論沒有遇到根本性的挑戰,當然,它也存在一些有待解決的問題。比如,天文學家還不能肯定星系是如何形成的,但是也沒有證據能否認該過程是在大爆炸框架內發生的。實際上到目前為止,從這個理論引申出的各種預言通過了所有的測試。

但是,大爆炸理論目前也只做到這種程度,還有許多重要的謎題有待揭開。宇宙在膨脹之前是什么樣子的?(我們不能通過天文觀測,回溯到大爆炸之前的時刻。)在遙遠的未來,當最后一顆恒星耗盡了核燃料后會發生什么?沒有人知道答案。

愛因斯坦創立的廣義相對論確立了質量、能量、空間和時間的關系,現已被很好地驗證并接受。愛因斯坦指出,物質在空間均勻分布與他的理論非常吻合。他未經討論便假定,在大尺度上平均來說宇宙是靜態不變的。

在1922年,俄國理論家亞歷山大·A·弗里德曼(Alexander A. Friedmann)意識到愛因斯坦的宇宙是不穩定的,最輕微的擾動也會引起宇宙膨脹或收縮。同時洛厄爾天文臺(Lowell Observatory)的維斯托·M·斯萊弗(Vesto M. Slipher)發現了星系正在相互遠離的首個證據。隨后,杰出的天文學家埃德溫·哈勃在1929年又證明了星系遠離我們的速度與它離我們的距離大致成正比。



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