宇宙的起源与演化

物理

宇宙学

宇宙的起源与演化

北京天文台　崔宾编译

　　在过去的几十年中,天文学家们已逐渐认识到现在宇宙的年龄约为100亿至150亿年之间,这段时间若与人类历史或者地质年代相比简直太长了。但从某种意义上说,宇宙仍然是个新生儿,人生历程才刚刚开始,宇宙自身许许多多的神奇故事还没有上演呢!

,理论,在大约,,凉。70亿年以后,它将成为一个庞大的红巨星。接着在随后的几亿年的时间里,它将耗尽自己的核能,外壳变暗成为一颗白矮星,进而开始了一个漫长的逐渐暗淡的过程。

这些严肃的事实让人不禁会问,是不是天上所有的星星都有一天会走到自己生命的尽头?是否有一天每颗星都已熄灭而又没有更多的产生出来?如果所有的星都逝去了,宇宙中将会发生什么事情?生命会在一个无星的环境中存在吗?生命的是否还有其它奇怪的形式?并且很快我们就会问到这样一个终结问题:宇宙是否存在一个最终状态,在此以后又重新开始的可能也没有?

以上这些问题中部分问题的答案正在逐渐变得清晰。大致而言,宇宙的前途有三种可能:封闭、平直和开放。对封闭宇宙猛烈的攻击始自1969年MartinRees(现在是英国皇家天文学家)的一篇开创性的文章。而后,IamalIslam和FreemanDyson推动了开放和平直宇宙模型的长远发展。

在此,根据Rees,Islam,Dyson的理论以及现在人类对物理和天文的最新理解,为大家描绘出遥远未来宇宙的一幅图像。正象我们的描述与前人的描述在一些细节上有所不同一样,随着天文学与物理学的发展,这

些描述同样也会被重写。

、微波背景辐射及各种,而几乎所有的通常意义上的物质都是由这些轻元素组成的。

始自大爆炸的宇宙将面临三种不同的命运:一个封闭的宇宙将由于自身引力作用而最终走向塌缩,开放的宇宙将永远膨胀下去,平直宇宙则介于二者之间,它也会永远膨胀下去,膨胀速度不断减慢,但永远不会达到静止。

最后的结局从宇宙开始就已决定了。它取决于宇宙的总体密度,一个被宇宙学家称做Ω0的值。平直宇宙,处于准确的平衡状态,其Ω0值被定义为1。如果Ω0大于1,哪怕仅超过一点点,宇宙就会拥有足够的质量也可说是能量,从而靠其自身引力阻止膨胀的趋势,把所有的物质捡回到一个难以想象的奇点,如果Ω0小于1,宇宙正以快于其“逃逸速度”的速度在膨胀,且会继续膨胀下去。

我们到目前还没有完全确定哪一种可能性是正确的。但一个最终判决正在到来,基于近来几种方式的天文观测表明Ω0在012至013之间。这么低的值的可能性很大。许多理论学家倾向于Ω0等于1。但不论观测还是理论都没有得出过大于1的结论。

如果Ω0小于或等于1,那么宇宙将会存活足够长的时间以允许许多有趣的事件发生。封闭的宇宙则不会让所有激动人心的事件全部发生。在这篇文章中,我们暂且认为宇宙会永远膨胀,并可以持续到无穷的时间。

暴胀时代

对于宇宙的极早期,我们知之甚少,虽然如此,现代物理还是把答案归咎于大爆炸。理论物理学家已经提出了一些看似可行的观点来解释宇宙的开始。一般认为存在许多次大爆炸,而非仅一次,不断地从以前形成的时空中产生出来,每次大爆炸,宇宙都迅速胀大,并从产生它的母体中分离,这个新的宇宙与其它宇宙相互隔离并且是以其自有的方式演化。

对于我们存在的这个宇宙,对数时间轴有一个确

2000年第2期 24 《天文爱好者》

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切的始点:10-44秒,这个时间称普朗克时间,被认为是时间的量子单位,不能把时间划分得比这儿再小子,正如一种基本粒子电子不能再分隔成更小的成分一样。

根据现有理论,时间轴上下一个重要的事件发生于10-7量级之后,即10-37秒的时候,在此时新生的宇宙具有难以置信的高温和密度。超高能量的量子场使空间以很大的加速度在膨胀。与此同时,产生了非常小的密度起伏,否则这个微小寂寞的宇宙将充满光滑又毫无特征的能量场。这些微小的变化随空间的膨胀而保留了下来。星系、-32候,了。

:暴胀理论预言的宇宙Ω0等于1,至少也是理论的最简单情况。物理学家正设法使这种理论能产生出开放的宇宙来。

辐射为主的时代

下一个不断冷却且不断膨胀的时代持续了1043个数量级,直至宇宙的年龄为一万年,在这段时间里,宇宙中除了光滑单一的辐射海洋外,几乎一无所有,我们熟悉的天体,如恒星和星系,现在还没有诞生。

在以辐射为主的时代中,许多重要的事件奠定了我们现在所知宇宙的性质,例如:复杂粒子的相互作用使得正物质比反物质稍稍多了一点。反物质和几乎所有的正物质都相互湮灭了。残留下来的一些正物质便形成了我们知道的这个宇宙。

大爆炸后数分钟时,冷却的初斯原初汤已开始形成轻元素的核,包括氢、氘、氦和锂。核物理定律对标准大爆炸模型在这时期的温度、压强和密度已经开始适用。因此我们可以准确地计算所应产生的原初汤的成份。计算结果与我们实际所观测到的宇宙中最古老物质的成份是相等的。

当不断减少的辐射能量密度低于物质的能量密度时,副射为主的时代就结束了。

以上情况不久,另一有划时代意义的事件便发生了。在宇宙年龄为30万年时,宇宙的温度第一次下降到了可以让整个原子(特别是氢原子 …… 此处隐藏：2806字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……