宇宙的起源与终结

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宇宙的起源是人类永恒的话题。时至今日,也只有传说和理论,因为那遥远的事情,任何人类都没有见过。

世界各民族都有关于宇宙起源的神话和传说。早在公元前一世纪,中国人相信宇宙起源于无形的云:云中纯洁的物质上升成为天,混沌的物质下降成为地。也有盘古开天地的传说。而基督教至今仍相信,宇宙是上帝在7天内创造的。

现在,较为可信的是大爆炸理论,它是根据宇宙在膨胀这一事实和宇宙背景射线的发现提出的。

一次无声的大爆炸,把一团高密度、高温度的物质和能量带入现实,时间开始流动。

起初,宇宙中的四种基本力(引力,电磁力,强和弱的核力)是合并在一起的一个单一的力。在10^(-43)秒时,引力分离出来,成为不同的实体,空间和时间开始有了定义。

10^(-35)秒时,是第二个转换阶段。强核力分离,宇宙急速膨胀,并冷逐渐却。在10^(-32)秒时,推动膨胀的能量转变为粒子,散布在空间中;粒子衰变,以射线释放出能量。接着,射线衰变成物质和反物质的亚原子粒子;这些粒子和反粒子合并、抵消,再变成射线。由于物质稍多于反物质,就形成了宇宙的物质世界。

10^(-10)秒,电磁力与弱核力分离;所有四种力都单独存在。

10^(-4)秒,夸克合并形成质子和中子。在100秒时,质子与中子合并,形成最轻的化学元素氢、氦、锂的原子核。

50万年时,温度已低到使原子核可以俘获电子而形成完整的原子,在此之前的电子是不断扩散的射线。

之后进入黑暗时代。是引力把物质聚在一起,宇宙的第一束光在950万年时发出。在10亿年时,星系形成。

恒星形成的理论是这样的:太空中的物质(气体和尘埃)分布是不均匀的,有的地方会更加稠密。由于旋转等运动,它受到挤压而收缩(Collapse)。因引力的作用而吸引周围更多的物质;随着密度的增加,引力也增加,从而吸收越来越多的物质。气体原子的碰撞越来越频繁,速度越来越快,导致气体变热。当温度达到一定程度时,氢原子开始碰撞,且不再弹开,合并形成氦原子(Alpha 粒子)。这由于四个氢原子核比一个氦核的质量要多,这部分多余的质量按照E = MC^2转变成巨大的能量,使核心部分的压力增加,能量以辐射形式向外扩散并发光;当向外辐射的力能够抵消引力时,气体停止收缩;恒星稳定地发光,持续很长的时间。

当恒星形成时,它发出的光和热把周围的物质吹走(这些物质是大爆炸时产生的氢和氦);这些物质形成了行星。由于诞生之前的星云是以一定方向旋转的,这些行星及其卫星也都以同一方向绕恒星旋转。正是因为这同一方向,才能使小块尘埃逐渐碰撞、合并成为大块的岩石,这样,大的成了行星,小的块(Asteriods)也独自绕恒星转,有自己的轨道。

当一个区域具有大量物质时,可能同时形成多个恒星。 对于多星系统,不可能形成行星,因为没有稳定的轨道。

没有永远发光的星球。质量越大的星球,维持平衡所需要的燃料就越多;当氢都变成氦后, 星核将收缩,变得更热,热到足以把氦烧成碳时,它就成为红巨星;当温度达到6亿度时,碳烧完后,产生氮、硅等,直到内核全不烧成了铁。铁不能再作为燃料,收缩停止。

当星球缩小时,根据互斥原则,物质粒子不能以相同的速度存在于同一位置,物质粒子必具有不同的速度,这就产生排斥力,使星球再扩张;但由于物质粒子的速度不超过光速,产生的排斥力有限。

质量较小的恒星,在收缩过程中,发出白热的光,以白矮星终结。相当于12倍太阳质量的星球,会成为中子星或脉冲星(快速旋转的中子星)。Chandrasekhar 算出, 当星球质量大于太阳质量的1.5倍时,其排斥力不足以抵抗自身的引力,逃逸速度将大于光速。这就形成了黑洞连光线也不能逃离。形成黑洞的临界半径为R = 2GM/C^2G是引力常数,M为星球质量,C为光速。

当所有的星星都燃烧殆尽,宇宙将是一片漆黑。最终会变成什么呢,没有人知道。有人说,会是一次大收缩,整个宇宙再变成体积为0、密度无穷大的奇点;很久以后,又是一大爆炸,一个新宇宙诞生。

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