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大爆炸后较小时间尺度内的演变--一(七) 韩灏

作者:dcc  更新:2014-6-15 14:58:23
大爆炸后较小时间尺度内的演变
一(七)  韩灏
世间万物——小到质子、中子,大到星系,都起源于一百三十七亿年前的一次“大爆炸”,那时的宇宙极小,但温度极高,其中充斥着高速运动的基本粒子。之后宇宙膨胀,也冷却下来,形成恒星、行星,逐渐演变为现在的样子。
今天的科学还不能解释大爆炸后十的负四十三次方秒内发生的事情。这个时间概念:十的负四十三次方秒,被称为普朗克时间。这是以德国科学家普朗克的名字命名的。普朗克首先提出了这样一个概念:能量不是连续可变的,它由很多个“单元”或者“量子”构成。量子理论是现代大多数物理理论的基石,它用来从最小的尺度处理问题,并被列为二十世纪科学理论的两个伟大成就之一。另一个是爱因斯坦的广义相对论,它用于处理极大尺度上的问题。
尽管这两个理论在各自的领域都被完美的证实了,但要调和它们却很困难。广义相对论认为时间是一个维度,是连续的,所以我们能从一个时刻平滑地过度到下一个时刻。而量子理论认为时间有一定意义上的最小单元,普朗克时间即最小的极限,也是理论能够测量的最小时间单元。
近代科学家试图通过“弦理论”“膜理论”来调和量子理论、广义相对论。量子理论主宰了大爆炸后极端时间内致密灼热的宇宙,所以对宇宙的研究也就从大爆炸后十的负四十三次方秒开始。
回到大爆炸时的那个起始点。也许我们的大脑中会出现这样一幅画面:在一片广阔的空间中宇宙突然爆发了。这个观念其实是完全错误的,因为在大爆炸前不存在空间。空间,物质甚至时间,都在大爆炸后才存在,它们以大爆炸为起点。所以,问大爆炸前发生了什么是没有意义的,时间在大爆炸后才开始。
在第一个普朗克时间之后,宇宙开始膨胀,并开始冷却。当时的宇宙是一个沸腾的夸克的海洋,每一个夸克都携带着巨大的能量以极高的速度运动,所以无法被限制在质子,中子这样的结构中。宇宙持续地继续膨胀并冷却,在经过第一个微秒(十万亿亿亿亿个普朗克时间)后,宇宙冷却到约十万亿度的临界值下。这时夸克的速度降低到能被它们间的相呼引力所捕获,三个夸克一组聚集在一起即成为了我们熟悉的质子与种子。
现在的很多科学家认为宇宙在大爆炸后十的负三十五次方到十的负三十二次方秒间有一段快速膨胀的时期,在这段时间内宇宙扩展了几十亿倍。这段时期被成为“暴涨”。如果没有它,那么我们看到的宇宙相对侧的物质就没有时间来交换热量,也就无法达到充分平衡。“暴涨”也可以消除一些不均匀性,并在快速膨胀前达到温度均衡。
但是为什么膨胀速度会有如此突然地增加?这里也许需要引入一种新的力,它和引力的作用相反。目前科学家并没有关于这个力的明确结论,并且在暴涨的宇宙环境没有什么特别之处,所以这种加速的突然出现与消失多少显得有点随意,但它确实能帮助我们解决很多问题。
经过暴涨后的宇宙以一个较低的速度继续膨胀和冷却,并逐渐形成氢和氦。大爆炸理论预言每产生十个氢原子,就会相应产生一个氦原子。现在宇宙中氢氦的比例仍未十比一,这也许是对大爆炸理论最直接简明的验证。
               资料来源:Bang!The complete history of the Universe
               <英>帕特里克·摩尔、布莱恩·梅、克里斯·林陶特著
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