《一位老工程师的前沿物理科普贴》
第14节

作者: 浅论物理
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  那么这些空间受高能量粒子干扰的几率究竟有多大呢?根据空间与物质体积之比来判断好像不大,但却根本无法忽视。因为这些高能量粒子虽然体积极小极小:若论单个粒子体积的话可能均不大于我们目前所知道的最小的微粒的体积。但数量却不少。它们大约有多少呢?估计它们的质量约为人类目前所已经能探知的全部宇宙物质的九倍以上。根据目前人类对宇宙空间探索中得出的结论:在我们已知的宇宙空间中所能探知的物质只占十分之一,还有90%以上的物质是尚无法探知的暗物质。

  应该说这些所谓的暗物质,无论怎么定义它们、称呼它们,总之都是些目前人类尚缺乏任何探知手段的物质。而大家共同认识到它们正同时和我们一起存在于这个宇宙中。除了遥远的物质外;近处的物质中主要是对极小的物质我们缺乏探知手段。但值得一提的是它们虽然体积小到微不足道,但它们个体的密度、所携带的能量、运行的速度均惊人之大不容忽视。以及它们总体占据宇宙物质90%以上的质量,这都是必须引起我们重视与加以探索研究的。也许能找到真的真空的话,那里也正是这些宇宙粒子逐一显身的最好场所。

  随着物理科学更进一步对宇宙、对微观世界的研究,人们会找到或建立起真的真空净地。创造出更有利于深入研究的领地,许多目前尚无法探知的微粒,也会逐步从幕后跨入前台。从中人类会得到不仅是知识,而且有随之而来的巨大力量。
  而在这似乎是一方平静无波澜的真空中,其实并不平静,无数粒子始终无休无止地在里面无规则纵横驰骋,各种场在真空中错综复杂的永存。并且不住地在发生令人目不暇接的变化。一场场悲壮激烈的人类已知的和尚未能知晓的、剧烈的物理变化在中间轰轰烈烈地进行。在宇宙学中所说的宇宙诞生及灭亡这整个物理界最重大的事件,也正是在真空中进行。从这点上来说,真空又是万物必由之地,其中永远不乏无以计数的匆匆忙忙的过路之客以及始终笼罩着密密麻麻不时变化的、几乎连绵不绝的各种场。

  宇宙中所有物质的体积全加在一起与整个空间体积之比是微不足道的,宇宙中全部物质体积之和是直径几乎为零的那么一个奇点;而空间无限大。
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日期:2009-10-29 08:17:41

  第五章宇宙的起源
  我们的宇宙是怎么形成的?
  几千年来,从古希腊到如今人类文明社会,人们一直在问这个问题。
  20世纪初,爱因斯坦创建的相对论将物理学引入大尺度宏观宇宙的研究之中,就此建立起宇宙学。宇宙学是一门新的学科,而实际上关于宇宙的研究又是从很古老的时候就开始了。从字面上来说,宇宙是一切时间和空间的总称,从意义上讲,宇宙是一切客观存在事物的总称。自古以来作为宇宙中的高等智慧生命的人类,除了为满足于自身的生存和种族的绵延,而一直不懈地研讨着自身存在及生命的意义外;还不断地对人类赖以为生的宇宙空间进行着探讨。而科学进步的发展是极其缓慢和艰难的。仅仅从亚里士多德——托勒密的地心说到哥白尼——伽里略的日心说的演化就用去了2000多年的时间。

  而宇宙是在演化的观念,却是直到20世纪20年代哈勃发现了红移定律后,才被人们所接受。而早在18世纪牛顿的万有引力定律早就表明,在引力的作用下,整个宇宙不可能处于稳定的状态。在20世纪初爱因斯坦的广义相对论中也已揭示了宇宙不是在膨胀就是在收缩。可惜在旧理念的作用下,这两位伟大的科学家,他们都希望在自己的理论中找到一个稳定的宇宙模型而安枕无忧。牛顿对宇宙的看法是:“所有的天体都是静止的,空间范围无限大。”爱因斯坦在他的方程中加上额外的一项宇宙常数,它具有对引力的排斥效应,可和物质的互相吸引相平衡;由此正负时空正好抵消而得到了静态的宇宙。而正是他的这一败笔,使人类失去了一次重大的预言宇宙运行规律的机会,后来他自己在1929年哈勃发现远处的星系正在离开我们而去后,才不无遗憾地说:“这是我一生中最大的错误。”

  哈勃的发现正是现代宇宙论诞生之开端。接着哈勃又从星系光谱的红移推断越远的星系以越快的速度远离我们而去,这也就是“哈勃定律”。说明整个宇宙正处于膨胀的状态,并就此估计出大约在150亿年前,宇宙是从一个极其紧致、极其热的状态中大爆炸而产生。大爆炸理论是1946年伽莫夫发表的,并且他就此形成了大爆炸宇宙模型,它显示出如今的宇宙是起始于最初的一次大爆炸。当时宇宙是一密度极大、温度极高、体积极小的一个奇点。大爆炸使物质向四周辐射。后来,在混沌中逐渐出现宇宙中的所有星系、恒星、行星以致生命等,这些全都是在这种膨胀的过程中逐步形成的。

  大爆炸宇宙学的创始人为伽莫夫。他所描述的宇宙大爆炸的基本轮廓是:大爆炸后最初几分钟内组成了氦和氘等轻元素。几十万年后出现高温火球,巨大能量的辐射开始出现由强到弱的变化趋势,许多星系都在以很高的速度彼此退行。但是,大爆炸宇宙论关于宇宙起始于一个奇点的假设,如今还没有得到证实。由于大爆炸宇宙模型得到观测事实支持较多所以被称为标准宇宙模型。

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日期:2009-10-30 09:50:57

  20年后,到了60年代中期,由于到处弥漫的微弱辐射场的发现,大爆炸理论跃升到重要的地位。1964年美国贝尔电话实验室,发现了宇宙中充满电磁辐射,黑体辐射的温度相当于绝对温度2.47K,人们将其称作3K宇宙微波背景辐射。它说明宇宙是在150亿年前的大爆炸中,从高温致密状态下开始形成随着膨胀,而密度减小、温度下降。这与当年伽莫夫的预言是符合的,他当时指出宇宙的温度只有绝对温度几度。

  大爆炸宇宙学中所讲的大爆炸的整个过程,当用温度作指标来分析:在鸿蒙年间,最早期宇宙的温度在100亿度以上。具有相当大的物质密度,整个宇宙空间只有中子、质子、电子、光子和中微子等微粒。随着不断的膨胀,约大爆炸开始后100秒,温度迅速下降到10亿度时,中子开始发生衰变,或者与质子结合成重氢、氦等元素;化学元素就是从这一阶段开始形成的。温度继续下降到100万度以后,化学元素形成的过程结束。这时,宇宙的物质主要是质子、电子、光子和其它一些轻原子核。一旦温度继续降到几千度时,宇宙间的气体开始渐渐凝聚成气云;再接着随着温度的进一步降低气云逐步聚积成各种天体、星系。成为我们现在所知道的宇宙。

  要是按时间来分析:大爆炸即将开始时,宇宙是一个奇点,体积接近于零,温度无限高。大爆炸后一秒钟,宇宙膨胀了10^30倍,温度降到了100亿度,这也就是相当于氢弹爆炸时的温度,这时比太阳中心的温度还要高一千倍。各种宇宙射线、粒子、光子、电子和中微子也就是在这时产生了。4秒钟后开始产生质子、中子。到100秒时温度已降到了10亿度,这就类似于恒星中心最热处的温度。质子、中子已难以再有足够的能量来逃逸强核作用力的引力,开始结合成轻原子核例如重氢、氦等的原子核。这样到了3分钟时,形成的氢占75%,氦占25%。就此宇宙步入辐射主控时代。大约再经过几个小时以后,所有的这些活动都停止了,氢、氦及所有元素的生成全结束了,接着在很长很长时期宇宙中几乎没有什么明显的物质变化,只是膨胀与降温一直在持续进行中。

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