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宇宙的起源和演化、未来将会变成怎样?

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发表于 2018-1-7 10:59:13 | 显示全部楼层 |阅读模式
  宇宙的起源、演化与未来走向

  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。


  一、宇宙起源演化简史


  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,即宇宙从超高密度、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150亿年前左右,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。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、强核力与弱核力这四种作用力,称为普朗克时期。


宇宙的起源和演化、未来将会变成怎样?13 / 作者:伤我心太深 / 帖子ID:28740,111992


  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秒至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,但电磁力与弱核力还尚未分离。


  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、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38万年后,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。

  在大爆炸后的10亿年中,物质成团,形成恒星、星系和类星体等天体。接下来就是包括银河系在内的其他星系陆续形成。

  约50亿年前,太阳系诞生。46亿年前,我们的地球形成。38亿年前,地球生命诞生。5亿多年前地球生命大爆发。6500万年前曾经称霸地球长达1亿多年的恐龙灭绝。500万年前,人类诞生。8000年前人类开始进入农业文明。400年前,人类发现日心说。公元2000年,人类进入高度发达的文明。


宇宙的起源和演化、未来将会变成怎样?59 / 作者:伤我心太深 / 帖子ID:28740,111992


  二、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,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。


  最近,科学家在确定宇宙的实际平均密度方面已取得不小的进展。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。因此,就目前所知的情况来看,我们宇宙的未来走向将是加速膨胀。其演化进程大致如下: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50亿年后逐渐燃烧殆尽,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。如果是质量比太阳大的恒星,则引起整体性的大爆炸,然后成为中子星和黑洞。再过若干亿年后,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,逐渐衰变成光子和各种轻子。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。质量越大的黑洞温度越低,但长期的蒸发现象使质量减少并温度升高,以大爆炸结束。


  最终,所有的黑洞完全蒸发,成为宇宙演化的结局。应当考虑到,我们目前在确定宇宙平均密度方面可能还有疏漏。其中之一就是中微子问题。据大爆炸理论,宇宙中存在大量中微子。起初,人们都以为中微子质量为0,对确定宇宙平均密度是否会超过临界密度不起作用。后来通过实验发现,中微子质量并不为0。计算表明,如果其质量不过几个电子伏特,宇宙平均密度不会超过临界密度;如果超过50电子伏特,宇宙平均密度就会超过临界密度。鉴于目前对中微子质量的测定还有待于精确化,再加上除此之外还可能有其他因素会影响到宇宙平均密度的确定,所以我们现在还不能完全排除宇宙平均密度有超过临界密度的可能性,或者说不能完全排除宇宙在若干年后有可能开始逐渐收缩,由冷变热,直至收缩成一点,回归到大爆炸初始那种状态,以至形成再爆发再收缩这种循环往复的演化模式。

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