宇宙的起源与演化

发布时间：2011-04-23 19:57:03 来源：文档文库

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姜腾辉物理学基地班 2008213551

宇宙的起源与演化

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 !

我们知道，根据恒星演化的理论 ,在大约 11 亿年以后 ,我们的太阳将变得非常热 ,被煎熬的地球由于不再适于生命的存在而变得一片荒凉。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。大爆炸理论空前成功地解释了我们现在的宇宙及其特性 ,特别是在有关宇宙膨胀、微波背景辐射及各种轻元素的不同丰度等方面 ,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 :封闭、平直和开放。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。

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。

对于我们存在的这个宇宙 ,对数时间轴有一个确切的始点: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量级之后 ,即秒的时候 ,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。它们以后便成为了我们现在所看到的星系、星系团和大尺度结构的种子。在秒的时候 ,这样的暴胀停止了 ,随后宇宙膨胀的步子温和多了。

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) 得以形成并保持下来的程度。在此之前 ,温度太高了 ,即使有一电子与原子结合在一起也会很快被撞为自由电子的。宇宙转化为由中性氢构成的这一时期被称做“复合时期”。

这个过程很重要 ,因为这是第一次把宇宙从辐射中解放出来 ,还之以透明。在此这前 , 宇宙是不透明的 ,辐射不断地与物质粒子相互作用。由于气体氢是透明的 ,所以这时的辐射可以自由飞翔了。首次以自由光的形式传播。今天我们观测到的微波背景辐射就是复合时期遣留下来的。由于其强度大大减弱 ,该辐射已经产生了很大的红移。由此开始 ,那些没有被漫布宇宙的辐射之海所平滑掉的物质密度的起伏开始产生结构 ,我们熟悉的天体 ,像恒星和星系开始形成。

恒星时代

恒星时代意味着这是一个“充满恒星”的时代 ,在该时代中 ,宇宙中产生的大部分能量来自于普通恒星的核聚变。恒星不断地形成、演化和死亡。我们目前就生活在恒星时代的中期。

第一代恒星可能形成于宇宙仅有几百万年历史的时候 (虽然这类属于“星族 Ⅲ”的恒星到目前还没被证实) 。在随后的几十亿年间 ,最初的星系开始出现 ,并逐渐形成星系团、超星系团和大尺度结构。在很多星系内部 ,恒星形成过程以惊人的速率发生。许多年轻的星系还经历着与其贪婪的中心黑洞有关的剧烈过程。黑洞会把落入其魔爪的恒星撕裂 ,并把它们变成由热气体组成的围绕其自身的吸积盘。在时间的长河中 ,大多数的类星体和活动星系核逐渐死去。

随着恒星时代的继续 ,一个关键性的角色将落到一类最不起眼儿 ,最通常的星体上 ,这就是红矮星。这类星的质量不足太阳质量的一半 ,但由于其数量庞大。红矮星的长期演化与太阳这样更重些的恒星是不同的。最小的恒星在把自身的氢燃烧成氦的过程中 ,其亮度和温度都增加得非常缓慢 ,而不是很快膨胀并变成红巨星。

然后，随着红矮星的不断演化，红矮星燃尽了它的氢 ,将以低质量氦白矮星的形式结束它的生命。最终宇宙中的氢气将耗尽 ,普通恒星的形成过程也永远不会再有了。

当最后一颗红矮星也暗淡后 ,恒星时代也就结束了 ,这时宇宙的年龄大约是年 ,天空中已没有一颗闪亮的恒星了。

简并时代

这个时代 ,恒星演化过程已经终结 ,宇宙中绝大部分的物质都被禁锢在简并天体中。简并物质的存在形式包括冰冷的褐矮星、白矮星以及中子星。黑洞也可以包含一些以前恒星的物质。在整个简并时代宇宙都是冰冷而黑暗的。因为没有任何源发出辐射来照亮漫漫的黑液 ,来温暖长期冰冻的行星或者把光热赋予星系。宇宙的温度仅比绝对零度稍偏上一点儿。

在简并时代 ,另一种东西也许会变得重要起来。这就是不知以何种形式存在的暗物质 ,它们存在于星系周围的扑朔迷离的晕中。最有可能的暗物质候选体WIMP,这些粒子最终将被暗乎乎的白矮星扫光。一旦落入白矮星的陷阱 ,弱相互作用大质量粒子将会湮灭 ,从而做为能源提供能量。

到年或更早一些,WIMP将被耗尽。WIMP 湮灭这种供能方式也不复存在了。宇宙的存货已仅限于白矮星、褐矮星、中子星、死去的更加分散的行星和岩石。这都是些极冷极黑的家伙。

下一步会怎样呢 ? 正像故事的开始那样 ,情况变得更加难以推测了。

质子,曾被认为像电子一样是永恒的。但仅到此而止 ,许多“大统一理论”预言质子的寿命是有限的 ,它的衰变周期为在到年之间。

质子的衰变标志着简并时代的最后阶段。蕴藏在白矮星、中子星及其它个体中的质量能 ,将随着组成它们的质子衰变为正电子,中微子π介子和γ光子而消失。随着质子衰变消灭所有物质 ,简并时代落下帷幕 ,更黑暗、更空洞无物的宇宙要再一次改变特性了。

黑洞时代

现在留下来的质量天体只有黑洞了。它们没有受到质子衰变的影响 ,从简并时代幸存下来。随着白矮星不断气化和消失 ,黑洞吸收这些物质而变得更大一些 ,然而黑洞也不是长生不老的。它们最终会通过一种被称作霍金辐射的缓慢量子力学过程气化掉。虽被称为黑洞 ,但它并非全黑。黑洞表面靠发射一种光子热谱和其它粒子来发“光”,形象地称该过程为蒸发。

蒸发强度依赖于黑洞表面的曲率 ,也可说是黑洞的大小和质量 ,一个恒星级黑洞的蒸发是极其轻微的。黑洞不断蒸发和收缩 ,蒸发速度将加快 ,最后将以γ射线闪光的形式结束。

当最大黑洞的蒸发完毕 ,标志着黑洞时代的结束。

黑暗时代

粘结在一起的东西已经不存在了 ,宇宙对于从光子到黑洞的所有物质来说都是空空如也。偶然会发现一点儿以前时代残留下来的不久也将消失的“垃圾”,例如 ,红移到巨大波长的光子 ,很少的中微子、电子和正电子 ,粒子间的距离都大得难以想象 ,活动已几乎没有了。粒子间的空间尺度大得你想一想都会感到吃惊。在空间漂游的电子和正电子 ,偶尔会闯入对方的势力范围 ,从而形成一种正电子原子——电子和正电子相互环绕——它的大小比我们今天看到的整个宇宙还要大。这种巨大而单薄的原子是很不稳定的 ,电子和正电子会相互旋入并以极长的时间尺度而最终湮灭。另一些低水平的湮灭也有可能发生 ,只要更缓慢而矣。这些事件偶尔会产生高能的光子。宇宙的膨胀仍会把这些光子红移到低能量状态去。

与其过去放荡的生活相比 ,宇宙现在过着一种保守而孤独的生活。难道不是吗 ? 眼前的这种落迫残景仅是我们不全面的推测吗 ?

哥白尼时间原理

我们所熟悉的这个世界在宇宙的演化中只是短暂的一瞬 ,有恒星提供繁衍生息的能量 ,有行星提供生活的空间 ,目前的环境对生命来说太友好了。这不免让我们自然而然地认为当前的时代会具有某种特殊地位。某些人还会强调说我们的时代是一个特殊时代 ,是真正丰富多彩的时代。这是一个唯一能让生命存在并被这些生命所探寻、理解的时代。笔者不同意这样的观点 ,相反 ,我们接受“哥白尼时间原理”的观点 ,即目前时代在宇宙年代中没有任何特殊地位。换句话说 ,有趣的事件随着宇宙的演化和变迁会继续发生。通常来说 ,宇宙要面对能量和熵产生的减少而带来的影响 (后者为复杂系统例如生命的产生、繁衍提供了可能) 。但是宇宙这种趋势被每个宇宙时代大尺度的时间延续所抵消了。

用另一种方式来说 ,我们相信物理定律不能预言宇宙会达到一个最终的、完全静止的状态。更确切些说 ,我们怀疑有趣的物理过程在我们敢于设想的未来中会不断发生。

哥白尼时间原理的观点 ,是我们对宇宙认识的又一个自然扩展 ,我们目前对宇宙的认识在历史上就被不断扩展深入。在 16 世纪人类对宇宙的认识发生了一次革命性的变革。在那时以前人们都认为地球是宇宙的中心 ,哥白尼却提出反驳说地球不是宇宙中心。他正确认识到地球只不过是绕太阳公转的数颗行星中的一颗。后来人们又知道了太阳也仅是银河系数千亿颗恒星中的一员。我们知道这些星中的一部分也同样拥有自己的行星。此外 ,银河系本身也仅是在由无数星系组成的宇宙中随机地占了一小块地方。地球中心地位的不断降级导致了一个不可更改的