? 宇宙最初三分钟_作者:史蒂文.温伯格(美) - 河马足球

宇宙最初三分钟

宇宙最初三分钟简介:冰岛巨匠斯诺里?斯图鲁松于1220年左右编纂的斯堪的纳维亚神话集《新埃达》对宇宙的起源作了解释。书中说,起初,什么都没有。“看不到大地,也看不到苍天,倒是有一个大大的缺口,但没有草。”在空空如也的北面和南面,坐落着霜区和火区。火区的热熔化了霜区的霜,从水滴中诞生了巨人伊美尔。伊美尔吃什么?似乎还有一头牛——厄伊德许姆拉。她又吃什么?噢,还有些盐。等等。我可不能触犯宗教情感,哪怕是北欧海盗的宗教情感也是如此,但我认为,要说这样描述宇宙起源不能令人满意却是公正的。即便抛开所有那些传闻证据的异议,这个故事产生的问题也同它所提供的答案一样多,而且每个答案都使原有情况变得更为复杂。我们不能仅对该书报以微笑,而坚决放弃所有的宇宙学推测——对宇宙史溯本求源的迫切心情是难以抑制的。自16和17世纪现代科学诞生以来,物理学家和天文学家们就一直不断提出宇宙的起源问题。然而,一种不体面的氛围一直笼罩着这种研究。我记得,当我还是个学生及后来我在1950年代开展研究工作(研究的是其他问题)时,人们就普遍认为研究早期宇宙是体面的科学家不屑为之的事情。这种论断也不无道理。纵观整个现代物理学和天文学历史,赖以构建早期宇宙史所需的充分的观测与理论基础根本就不存在。然而,在刚刚过去的十年中,所有这一切都发生了变化。有一种早期宇宙理论已被人们广泛接受,以致于天文学家常常将之称为“标准模型”。它与人们有时所说的“大爆炸”理论基本相同,河马足球:只不过它对宇宙成分的认识更加具体。这种早期宇宙理论正是本书的论题。为了便于理解,或许应首先对当前按照标准模型所理解的早期宇宙史作一概述。这里仅仅是一个简要说明——在以后的各章中,我还要对这一历史的详细情况以及我们相信它的理由作出解释。起初,发生了一次爆炸。这个爆炸不同于地球上所常见的那些爆炸,即先从一个明确的中心开始,然后向四周扩展,周围被吞噬的空气越来越多;而是一种各个地方同时发生的爆炸,从一开始便充满了整个空间,每个物质粒子都与其他粒子迅速分离开来。这里的“所有空间”可以指整个无穷宇宙,也可以指像球面那样蜿蜒回到自身的整个有穷宇宙。任何一种可能性都不易为人理解,但这并无妨碍;在宇宙形成的初期,太空是有穷的还是无穷的并不重要。在大约百分之一秒的时间(这是我们能够自信地谈论的最早的时间)里,宇宙的温度达到大约1000亿摄氏度(10^11)。这一温度甚至比最热的恒星的中心还热得多,事实上,它热得使寻常物质的组成部分——分子、原子、甚至是原子核——没有一个能聚集在一起。相反,在这一爆炸中迅速分离的物质是由各种类型的所谓基本粒子组成的。基本粒子是现代高能核物理的研究课题。我们在本书中将多次谈到这些粒子,更详细的解释将在第三和第四章中讨论,这里仅指出早期宇宙中最多的那些就足够了。大量存在的一类粒子是电子,即以电流形式流过电线并形成当前宇宙中所有原子和分子的外壳的带负电的粒子。早期宇宙中数量巨大的另一类粒子是正电子,即体积与电子完全相同的带正电的粒子。在当前的宇宙中,正电子只有在实验室中,在某类放射线和诸如宇宙射线以及超新星这样剧烈的天文现象中才能找到,但在早期宇宙中,正电子的数量与电子的数量几乎不相上下。除了电子和正电子外,还有数量大致相同的各类中微子,即没有任何质量或电荷的幽灵似的粒子。最后,宇宙中还充满光线。对此,不必与粒子分别对待——量子理论告诉我们,光线是由零质量、零电荷、被称为光子的粒子组成的。(每当灯丝中的一个原子从高能状态转变到低能状态时,就会发射出一个光子。灯泡中发射出的光子非常之多,因此他们看上去就像汇集成了一条连续的光束一样,但通过光电池,可一个一个地计算出单个光子的数量。)每个光子都携带着一定数量的能量和动量,数量多少取决于光的波长。为了概述早期宇宙中无所不在的光线,我们可以说,光子的数量和平均能量与电子、正电子或中微子大致相同。这些粒子——电子、正电子、中微子、光子——不断地从纯能量中创造出来,短暂存在后即再次湮灭。因此它们的数量不是早就注定的,而是由创造与湮灭过程中的平衡所决定。根据这一平衡,我们可以推断,温度高达1000亿度的这一宇宙汤的密度约为水的40亿(4×10^9)倍。此外,还有少量的杂质,它们由较重的粒子、质子和中子组成,在当今世界中,它们是原子核的组分。(质子带正点;中子稍重且不带电。)比例大致为每10亿个电子、正电子、中微子或光子,对一个质子和一个中子。为了设计标准的宇宙模型,这个数值——每有一个核较子,就有10亿个光子——是必须从观测中获得的关键数值。在第三章讨论的宇宙辐射背景的发现实际上就是对这一数值的说明。随着爆炸的继续,温度开始下降,大约十分之一秒后下降到300亿(3×10^10)摄氏度;大约一秒后下降到100亿度;大约14秒后下降到30亿度。这一温度已低到足以使电子和正电子开始以快于它们从光子和中微子再次创造出来的速度归于湮灭。物质的这一湮灭所释放出来的能量,暂时降低了宇宙的冷却速度,但温度继续下降,最后,在最初三分钟结束时,降到了10亿度。这时,温度已低得足以使质子和中子开始形成复杂的核,首先形成的是重氢(或氘),它由一个质子和一个中子组成。其密度这时仍非常高(比水的密度稍低),所以这些轻核能迅速地结合成最稳定的轻核,即氮核,它是由两个质子和两个中子组成的。
  1. 宇宙最初三分钟    [2017-11-22]
  2. 宇宙最初三分钟-2    [2017-11-22]
  3. 宇宙最初三分钟-3    [2017-11-22]
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