平坦宇宙

时间:2023-04-29 00:08:23编辑:奇闻君

我们的宇宙像一块平板那样平坦,这一结论是以阿兰·伯努瓦博士为首的国际研究小组作出的,该研究小组在瑞典基律纳市科学基地进行了一项奇特的实验,科学家在宇宙研究委员会组织的会议上通报了自己的发现。

法国宇航局专家研制的一个巨型气球使Archeops望远镜上升到33千米的高空,望远镜可使科学家在12小时内跟踪观察残余的辐射,残余辐射是150亿年前发生宇宙大爆炸理论的主要证据之一,这种残余辐射曾在1965年被发现。

2007年欧洲宇航局准备发射一颗Planck-Surveyor卫星,该卫星将进行更加仔细的研究,为了完成这一使命,已利用高空气球将几台望远镜升上高空,这些望远镜能更准确地说明这些数据。Archeops望远镜是最后一台,科学家利用它证实了惊人的假设:宇宙是平坦的。当天体物理学家说到宇宙的几何形状时,称宇宙是平坦的,他们指的是,在整个宇宙范围内光是沿直线传播的。换言之,光线不会在物质-能量物体作用下发生弯曲。宇宙是由物质-能量物体组成的,而根据爱因斯坦理论,光线在太阳附近会发生弯曲。

宇宙大爆炸理论

一、宇宙的空间是无限广大、无边无际的物质的延伸。它从横的方面描述了客观存在的物体的相互位置。宇宙的时间同样是无限的和无始无终的,它既无开端,又无终结。

牛顿把空间作为一个物理实体,认为它是静止的,不可移动的,并且往往把空间和时间认为是物件和事件的“容器”,而不依赖于物质的密度。适用牛顿绝对空间的几何,就是通常的欧几里德几何,但绝对空间和绝对时间的观念并不符合实际。这样的时空观影响了人们对宇宙的进一步认识,实际上,时空连续区在其物理性质上是独立的,具有物理效应。空间的几何性质和时间的流逝取决于一定空间区域内的物质密度。牛顿时代的时空观更无法解释当今宇宙中存在的一些基本现象,如:微波背景辐射、星云红移现象以及宇宙中氘的成因等。

二、1927年,比利时物理学家乔治·勒梅特提出宇宙正在由一个“原始的原子”,不断膨胀的理论,即现在的大爆炸理论和膨胀理论。现已被越来越多的科学家接受。

据说,约150亿年前,在宇宙的原始奇点,即整个宇宙空间为零容积的状况下,发生了大爆炸,这个奇点应该是一个高度有秩序的奇点,而被有的科学家认为是时间的起点。这个大爆炸是一次核反应。

大爆炸学说的基本观点是:宇宙早期处于高温高密状态,随着宇宙的膨胀,温度下降。在大爆炸时宇宙的大小被认为是零,因此,是无限地热。大爆炸之后的10-43秒,称为普朗克时间,在普朗克时间的那一点上,宇宙已经变成了一个比原子还要小的热点,且宇宙的密度极大。在普朗克时间之前,所有的物理学定律失去了作用。而在普朗克时间(10 -43秒)之后,物理学定律才有作用。大爆炸最初一刻,整个宇宙是形成一个质子的万亿分之一时间时,宇宙可能处于同质状态。有的膨胀模型指出,宇宙最初瞬间的膨胀速率呈指数增长,而在某些膨胀模型中。该瞬间可在宇宙开始后持续10-34~10-30秒。1999年,天文学家获得新证据,表明宇宙是平坦的,为大爆炸理论提供了新的佐证。大爆炸之后,宇宙中基本粒子很快形成,基本粒子又逐渐合成为元素。后来逐渐演变为气状物质,宇宙进一步膨胀,使辐射温度不断下降,气状物质便开始凝聚成星系或星云、星系团,最后形成恒星,产生我们现在所见的宇宙。大爆炸之后,随着宇宙不断地膨胀,同时物质密度不断从密向稀演化,温度也不断下降。这就是大爆炸宇宙学派的主要观点。这种观点认为宇宙演化大致分几个阶段。

宇宙极早期阶段

(一)宇宙极早期阶段,又叫基本粒子形成阶段。

在大爆炸后第一秒内,宇宙便开始形成基本粒子,该阶段主要是强子和粒子的生成和湮灭,主要经历以下过程:

首先,从宇宙时的零秒到10-43秒,这是普朗克时间阶段,所有物理学定律不适用。从10-43秒到10-36秒,这时宇宙的温度极高,物质密度极高,物质的存在形式一般说不清楚,可能处于同质状态。在10-34~10-30秒,有的膨胀模型指出呈指数增长速率膨胀。而暴涨宇宙理论认为:若1滴答=10-34秒,暴涨可能延续几百个滴答,然后就结束了。即经10-32秒之后,决定宇宙基本结构和物理成份的过程,便已告完成了。宇宙跃变结束时,宇宙约有垒球那么大。10-14秒之后,宇宙半径增长到约3英尺,温度冷却到1000亿度,此时,原子的构成成份,夸克和电子形成了。

随着宇宙膨胀,温度继续下降。强子逐渐生成,在宇宙时10-6秒时,原子本身形成了,这时夸克聚集成质子和中子,质子和中子聚集成原子核。而原子核和电子形成了原子。最终第一个元素氦,以大大降低的速度,穿过我们今天仍能探测到的高度,其背景辐射,飞遍了整个宇宙。

这时,宇宙中最活跃的是进行强相互作用的基本粒子──强子,它包括介子和重子(如质子、中子、超子等)。在大爆炸后10-2秒时,宇宙中的温度大约为1000亿开,物质密度下降到1011克/厘米3。这时是轻子起主导作用,宇宙中物质分成以电子、夸克、μ介子、τ子为主,所以是轻子为主导作用阶段。它的主要特征是轻子的分解和正、反粒子的湮灭。由于在这个过程中,轻子的分解和正、反粒子的湮灭是不断进行的,因而产生了大量的光子和中微子,以至当温度降到100亿度时,相对于实物来讲,辐射(光子)占优势。

元素形成阶段

(二)元素形成阶段,又叫辐射阶段。

大爆炸1秒后,宇宙温度降到大约100亿度,这时宇宙主要含有光子、电子、中微子及其反粒子,还有一些质子和中子。从大爆炸以后的第1秒钟到3分钟,宇宙进入元素形成阶段。在爆炸发生后一秒时,宇宙中的物质密度降到107克/厘米3,这时宇宙不仅整体上膨胀占优势,而且,各处都处于排斥(辐射)为主的阶段,在该阶段后期,实物(如质子、中子、电子等实物粒子)已开始发生很大变化,电子/反电子对在碰撞中的产生率就落到它们的湮灭率之下。这时,多数电子和反电子彼此湮灭,产生更多的光子,只留下少数电子。中微子和反中微子却不彼此湮灭,因为这种粒子彼此之间,以及和其它粒子之间的相互作用很弱,因此,它们今天仍然到处都有,但因现在的中微子能量太低,无法直接观测。中微子不是无质量的,而有一个小质量,能间接地探测。中微子可能是一种暗物质,具有充分的引力,以停止宇宙膨胀,并使之再次坍缩。大爆炸以后约3分钟,温度下降到约10亿度,这时质子和中子已不再有足够的能量能够逃脱强核力的吸引,即中子开始失去了自由存在的条件,开始与质子合成,形成重氢(氘)原子核,氘核再和更多的质子和中子结合成氦核,氦核有2个质子和2个中子。以及少量的两个更重元素:锂和铍。于是就形成了几种不同的化学元素。因为原子核是由核子(质子和中子)合成的,所以,该阶段又叫核合成(即元素形成)阶段。当温度降到100万℃,早期形成化学元素过程就结束了。核合成结束时,氦的含量按质量计算约占25-30%,氘占1%,其余大部分是氢,剩余的中子衰变为质子,质子是氢的原子核。由于氦十分稳定,所以这些氦能够一直保留到今天。大爆炸以后的几个小时,氦及其它元素的产生即已中止。

计算表明,氦核的活动延续了大约3分钟,并予言宇宙中元素应以特定的比例存在,其中1/4为氦,它用完了所有可利用的中子,余下的核子(没有聚合的质子)自然形成了氢原子核,氢约占3/4。这与天文测量结果相符。所有重元素(锂、碳)占不到1%,这些重元素在晚些时候形成。

另外,在宇宙膨胀最初几分钟内所释放的巨大热量,应当导致某些微量同位素的产生。如:氘又叫重氢,它比氢多一个中子。氢、锂也相继形成,而氘是不能被恒星制造并保留下来的,唯一可行的解释是所有氘都是原始的,它是在在大爆炸中产生的。从而是大爆炸理论的一个佐论。此后,第二阶段大约经历了数千年,该阶段宇宙间的物质主要是质子、电子、光子和一些比较轻的原子核,光辐射依然很强,也依然没有星体存在。

实物阶段

(三)实物阶段

大爆炸后约1万年,随着宇宙的膨胀,温度下降到约10万开,实物密度大于辐射(光子)密度,辐射退居到次要位置,辐射减退后,宇宙间物质主要是气状物质,由于这种物质不再受辐射影响,当发生某种非均匀扰动时,有些气体物质在引力作用凝聚成气体云,气体云再进一步收缩就产生了各种各样的星系,成为我们今天看到的宇宙,在无数恒星演化中产生太阳和太阳系,并继续演化。

宇宙在3万年时,宇宙温度约1万度。

宇宙产生30万年时,当温度降至约4000开时,进入第三阶段的实质过程。这时,电子和原子核已不再有够多的能量,以克服它们之间的电磁吸引力时,它们就要开始结合成为原子。并且,物质终于与辐射相分离,宇宙才从不透明状态变成透明状态,辐射热因此而散发到各个方向,宇宙沐浴在一种热辐射中,这是“黑体”辐射。并以今天的宇宙微波背景的方式到达我们这里。30万年以来,辐射几乎一直在平稳地传播着。

宇宙辐射物──典型的中子主要直线旅行在气态当中,宇宙学家古思认为,大爆炸之后,宇宙非常热,以至充满了等离子,没有中性原子了,原子都分裂了。因此,电子离开原子核,自由地到处移动,当物质处在等离子状态时,它对辐射物来说,是非常不清晰的,这种自由电荷粒子与形成光的光子非常强烈地相互作用。这样,这些光子就不断地被扩散和吸收,它们从来没有真正地到达任何地方。宇宙继续膨胀和冷却,在那些物质密度比平均密度稍大的一些区域,膨胀被附加的引力所阻滞,该阻滞使某些区域停止膨胀。并重新坍缩,逐渐形成旋转星系和椭圆星系,并逐渐进入稳定状态。

约100万年后,形成许多原子,后来又被“煮”成星体中的重元素,最终产生提供生命诞生的物质。

当原子核与其它原子核相撞时,能被激发,引起共振,这个精确的共振,会产生丰富的碳,满足多种生物的需求,随后的核反应中,产生了元素氧、氮以及生命所必须的其它重元素。

总之,宇宙起始于大爆炸,银河系成形于气团。星体先在银河系中心形成,然后比较迅速成熟,形成今天看到的样子。

在创世的一瞬间的极短时间内,宇宙很快以百倍的膨胀系数,达到了以后150亿年的膨胀量,在此突然剧增的过程中,宇宙在次原子大小时,所具有的同质性特点,成了宇宙在膨胀后时代的特征,也就是说,宇宙在膨胀前存在的任何不均性,都可能被急速的膨胀力量抹平。

膨胀理论为解释宇宙中相距甚远的部分,最初是如何联结在一起的,提供了一种说法。

例如,宇宙的两侧,相距300亿光年以上之遥,但却有着完全相同水平的宇宙背景辐射。而最初这两侧是在一起的,因为膨胀而分开,以至后来相距甚远。当膨胀发生时,只要观察的面积大小相同,不管天空哪一部分,卫星数据都显示了同样数量的小、中、大波纹。

宇宙开始于一个指数膨胀阶段,或根据古思的暴涨宇宙模型所指出的暴涨阶段,它的尺度增加了一个很大的倍数,在膨胀过程中,最初密度涨落还保持很小,但此后也开始增长。宇宙从光滑和有序的状态开始,在时间进行中变得结块和无序,符合热力学的时间箭头。

大爆炸理论是膨胀模型的重要部分,这种指数式的膨胀过程,在平滑和一致的宇宙形成方面起了很大作用。

1999年,天文学家获得新证据,表明宇宙是平坦的,为大爆炸理论提供了新的佐证。

根据物理学家古思的膨胀模型,新宇宙在一次能量释放的跃变后,短暂加速自己的膨胀,即暴涨。在耗掉跃变的能量后,又回到较慢和减速膨胀状态。好像水变成冰时的跃变,当水分子形成新的坚硬状态的冰时,它要释放出它的隐性能量。

我们可以用多卜勒效应测量其它星系离我们远去的速度,决定现在的膨胀率,这可以测得很准确。但星系的距离知之不详,只能间接测量它们。因此,我们只知道宇宙每十亿年膨胀约5%至10%,但关于宇宙现在密度的不确定性很大!

论文宣布

天文学家在英国《自然》杂志上发表论文宣布,根据最新观测,宇宙结构是平坦的,而且将永远膨胀下去。

根据现代宇宙学中最有影响的大爆炸学说,宇宙是大约150亿年前由一个非常小的点爆炸产生的,目前宇宙仍在膨胀。这一学说得到大量天文观测的证实。这一学说认为,如果宇宙总质量大于某一临界质量,那么宇宙的结构是球形的,并且总有一天会在引力作用下收缩;如果宇宙总质量小于临界质量,那么宇宙的结构是马鞍形的,宇宙内部的引力无法抵消宇宙膨胀的速度而使宇宙一直膨胀下去;如果宇宙总质量恰好等于临界质量,那么宇宙的结构是平坦的,宇宙也将像现在这样一直膨胀下去。

平坦结构

宇宙的结构实际上是时间和空间的结构,普通人很难想像。不过科学家提出一个衡量宇宙结构的标准:如果两束平行光线越来越近,那么宇宙结构是球形的;如果两束平行光线越来越远,那么宇宙结构是马鞍型的;如果两束平行光线永远平行下去,那么宇宙结构则是平坦的。平坦宇宙的结构可以用欧几里德几何解释。

宇宙结构是平坦的这一结论是参加“银河系外毫米波辐射和地球物理气球观测项目”的多国科学家得出的。这一项目的目的是研究宇宙背景辐射的详细情况。科学家在1998年底将射电天文望远镜放置在氦气球顶部,随氦气球上升到距地面约40公里的高空,在那里对特定宇宙区域进行了11天的观测,获得了迄今关于宇宙早期辐射最详实的数据。

数据研究

经过研究,科学家发现,在大尺度上,宇宙最初发出的光线并没有发生弯曲现象,也就是说当初的两束平行光线一直保持平行状态,这说明宇宙结构是平坦的,也就是说宇宙总质量恰好等于临界质量,宇宙将像现在这样一直膨胀下去。

背景辐射

早在1965年,科学家就已探测到宇宙空间中均匀分布着的宇宙背景辐射,其温度为零下270摄氏度。大爆炸学说认为,这种辐射是宇宙大爆炸后的“余烬”。从这些“余烬”中,科学家可以推测大爆炸初期的情景。1991年,美国宇宙背景探测卫星发现,宇宙背景辐射中存在着微小温度波动,如同在“余烬”中闪动着的微弱“火光”,这表明那时宇宙内已存在密度非常小的物质云团。正是这些云团逐渐收缩形成了后来的星系。“银河系外毫米波辐射和地球物理气球观测项目”是在该卫星发现的基础上进行观测的。

未来研究

科学家计划在未来几年内发射两颗卫星,更精确地观测宇宙早期辐射的情况,届时宇宙诞生和结构之谜将被进一步揭开。

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