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川陀太空讯   什么是宇宙?这是一个非常难回答的问题。无论从哪一个角度来回答这个问题,都需要花费数年的时间来解答,然而却只是仅仅触及到表面。时间和空间是无限的,用人类的标准很难衡量。详细描述它是一项艰巨的任务。但我们今天仍下定决心尝试回答这个问题!

那么什么是宇宙?简而言之,宇宙是所有存在的总和。是时间、空间、物质和能量的总和。从138亿年前开始不断膨胀,没有人能够知道宇宙到底有多广阔,更没有知道她什么时候会寿终正寝,但是人类历史上的研究会告诉我们许多关于她的东西。

定义

“宇宙”这个词来源于拉丁语的“universum”,是罗马政治家universum和后来的罗马作家用来描述他们所知的世界与和谐有秩序的宇宙。宇宙包括地球和所有在其中的生物,还包括月亮、太阳、行星(水星、金星、火星、木与土星)和恒星。也常用“宇宙(cosmos)”这个词来代替“宇宙(universe)”。“cosmos”这个词源自希腊语“kosmos”,字面意思是“世界”。此外还可用源自日耳曼语“natur”的“自然(Nature)” 以及英语中的“一切(everything)”来描述。这些科学术语可在“万物理论(TOE)”可查。

如今,这个术语常用来代指已知宇宙中的一切事物,包括太阳系、银河系、所有已知的星系和其他天体。在现代科学天文学和天体物理学中,它也指所有的时空,所有形式的能量(即电磁辐射和物质)和物理定律。

宇宙起源

目前科学界认为宇宙来自于138亿年前的一个物质密度和能量密度无限大的“奇点”的大爆炸。宇宙大爆炸理论(BigBang Theory)并不是解释宇宙的起源于演化的唯一宇宙模型,此外还有稳恒态宇宙论(Steady State Theory)和振荡宇宙理论(Oscillating Universe Theory)。

但是宇宙大爆炸理论是最广泛被接受和流行的。这是因为宇宙大爆炸理论能够解释所有已知物质的起源、物理定律和宇宙的大尺度结构,它还解释了宇宙的膨胀,宇宙微波背景的存在以及其他现象。

科学家们从宇宙的当前状态出发,认为它必定起源于一个密度无限大和时间有限的“奇点”。在最初的膨胀之后,该理论认为宇宙冷却到足以形成亚原子粒子,而后是简单原子。这些原子形成巨大的分子云,因引力塌缩而形成恒星和星系。这一切大约始于138亿年前,因此被认为是宇宙的年龄。科学家们通过粒子加速器、高能态的实验、以及对可观测到的宇宙的深处的研究,已经建立了开始于大爆炸与宇宙演化的当前状态的年表。

但是大爆炸后10^-43到10^-11秒的极早期宇宙仍充满争议。在这个时期物理定律不再适用,因此就很难推断这个时期的宇宙是怎样的。更重要的是,能够创造各种能量的实验正处于起步阶段,虽然有许多理论能够解释这个时期的宇宙且相互兼容。按照这些理论,大爆炸后的“瞬间”可以分为几个时期:奇点期、暴涨期和冷却期。

奇点期是宇宙最早的时期,也成普朗克时期( Planck Epoch)。在这个时期所有的物质被压缩至一个点,致密致热。人们认为这个时期量子效应是最主要的物理相互作用,没有其他的物理力与引力平衡。普朗克时期是大爆炸之初的大约10^-43秒,如此命名是因为它只能被普朗克时间测量。

由于致密和致热,该时期的宇宙状态非常不稳定。于是它开始膨胀和冷却,物理学的基本力开始出现。大约10^-43到10^-36秒,宇宙开始转变温度。此时基本力开始支配宇宙,相互分离。首先引力从强相互作用力、弱相互作用力和电磁相互作用力中分离出来。大爆炸后的10^-36秒到10^-32,宇宙的温度降到10^28K,电磁作用力和弱相互作用力分离出来。随着引力的出现,宇宙迎来暴涨期。

大多数宇宙学模型认为,在这一时期的宇宙高能量密度均匀分布,高温度和高压加速其膨胀和冷却。从10^-37秒开始由于相变导致基本力被分离出来,使宇宙加倍膨胀。与此同时,开始形成重子,温度极高粒子以相对论性速度随机运动,粒子与反粒子对在碰撞中产生和消失。这也被认为是宇宙中物质占支配地位而不是反物质的原因。在暴涨停止后,宇宙被夸克胶子等离子体与其他基本粒子充满。

从此宇宙开始冷却,形成物质。

随着宇宙密度和温度的不断降低,宇宙开始进入冷却期。这个时期粒子的能量不断减少,持续相变直到物理基本力和基本粒子变成目前的形式。因为粒子能量下降到粒子物理实验可以获得,因此该时期的争议较小。例如,科学家认为大爆炸后约10^-11秒,粒子能量大幅下降。大约在10^-6秒,夸克和胶子结合成重子,如质子和中子,夸克相对于反夸克稍多导致重子比反重子要多。

由于温度太低,质子与反质子对(或中子与反中子对)不能再形成,正反粒子对迅速湮灭,仅仅只剩下原来质子和中子的10^10之一,反粒子全部消失。在大爆炸后1秒左右,电子和正电子发生类似的情况。湮灭之后,剩余的质子、中子和电子不在以相对论性速度运动,宇宙的能量密度以光子为主,中微子占较少的部分,几分钟后宇宙进入核合成时代。

由于温度下降到10亿K,能量密度下降到相当于空气,中子和质子开始结合,形成宇宙的第一个氘(一个稳定的氢同位素)和氦原子。然而,绝大多数的宇宙保持未结合以氢质子的形式存在。大约379000年后,电子与这些原子核结合形成原子(主要是氢),产生宇宙中最古老的光,辐射到空间中,现今称其为宇宙微波背景(CMB)。随着CMB的辐射,密度和能量渐渐减低和减少,目前估计温度为2.7260±0.0013 K(-270.424°C / -454.763°F),能量密度为每立方厘米0.25电子伏特(4.005×10^14 J/m3;400–500个光子/ cm3)。CMB可以在约138亿光年的各个方向上“看到”,但实际距离的估计距离宇宙中心大约为460亿光年。

宇宙演化

在随后的几亿年中,宇宙中物质密度(几乎均匀分布)稍高的地域由于引力存在相互吸引。因此变得更加致密,形成气体云、恒星、星系和其他天文结构。这就是所谓的结构时代,因为在这个时期,现今的宇宙开始形成。


可见的物质凝聚形成各种尺寸的结构(即行星、恒星、星系,星系团和超星系团)并彼此分开。这个过程的细节取决于宇宙中物质的数量和类型。物质被分为冷暗物质、温暗物质、热暗物质和重子物质这四种类型。然而,冷暗物质模型(Lambda-CDM)被认为是大爆炸宇宙学的标准模型,因为它与数据符合的很好。在该模型中暗物质粒子移动速度相比光速要慢。在该模型中,暗物质大约占宇宙的能量和物质的23%,而重子物质约占4.6%。

λ是指宇宙常数。宇宙常数最初由Albert Einstein为解释物质密度不为零的静态宇宙存在而提出的。在这种情况下,它与暗能量相关。暗能量加速了宇宙的膨胀,使其大尺度结构基本一致。暗能量的存在是建立在许多证据的基础上的,所有这些都表明暗能量弥漫于宇宙中,研究估计暗能量约占宇宙物质的73%。

在宇宙的早期阶段,当所有的重子物质更紧密的聚在一起时,引力占主导地位。然而,经过数十亿年的膨胀,暗能量开始主导星系之间的相互作用。该时期被称为宇宙加速期。该时期估计是发生在大爆炸的88亿年后(50亿年前)。宇宙学家依靠量子力学和爱因斯坦的广义相对论来描述这一时期的宇宙演化及膨胀期后的任何时期。通过严格的观测和建模的过程,科学家已经确定,该演化时期与爱因斯坦的场方程一致,即使暗能量很虚幻。更重要的是,没有很好的支持模型能够确定大爆炸后的前10^-15秒发生了什么。

然而,正在使用欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(LHC)重现大爆炸所需的能量条件,该实验有望揭示超越标准模型的物理学。在该领域的任何突破都有可能证实量子引力统一理论,可以让科学家们弄清楚引力与物理学的其他三种基本力(电磁力、弱相互作用力和强相互作用力)之间的相互作用是如何发生的。反过来,也将帮助我们了解最早期宇宙真正发生了什么。

续集敬请期待~~~

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作者:佚名
来源:川陀太空