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DDSSN014-「宇宙的起源-大爆炸理论 (I)」 精选

已有 5930 次阅读 2015-9-2 13:12 |个人分类:默生科學札記|系统分类:科普集锦

「大爆炸理论(the Big Bang theory)」是物理和宇宙学家们,用来解释「宇宙起源(the origin of universe)」的基本理论。其要义是说:宇宙在距今 138.2 亿年前,只是一个比原子还小的「能量点源(a sub-atomic sized point of energy source;即 singularity)」,就在那最早的 1034 分之一秒瞬间,以超过光速的速率,急遽膨胀到约高尔夫球大小〔注:此过程在宇宙学上称之为「遽胀说(inflation Theory)」〕。之后,「宇宙」持续不断地膨胀扩张,温度也逐渐下降,不同的「物质(matter)」也就逐渐依序形成,最终形成了我们今天所知的宇宙。因此,「大爆炸理论(the Big Bang theory)」指的并不是一个单一的爆炸事件(explosive event),而是一种猛烈急速膨胀(violent expansion)的过程和现象。下图(source: http://www.dailygalaxy.com/)即是依「大爆炸理论」,把宇宙历经长达 138.2 亿年来的漫长演化过程,做一图解式的简扼说明。

〔注一:以上引用的宇宙年龄为最新的数据,较以前的估计(137.2 亿年)老了约一亿年,读者千万别轻忽这个小小的变动,它改写了许多我们过去对宇宙旧有的认知,例如:宇宙膨胀的速率没我们以前想象的那么快,而且组成宇宙的「物质(matter)」、「暗物质(dark matter)」、「暗能量(dark energy)」三者比例也因而大为不同;

注二:在这里要特别提醒读者的是,虽然依「大爆炸理论」,宇宙源自于「大爆炸(Big Bang)」,但其发生的时间,并不是宇宙的起㸃(the beginning of the Universe),也就是说,在时间(time;以 t 表之)尺度上,它并不是发生在 t=0 的时候。

注三:这个学说的名称叫「Big Bang」,其来源也饶富偶然和趣味性,主要是 1949 年时,有位英国天文学家 Fred Hoyle,在其电台广播时,为了让一般听众明白易懂,随意丢出来的字眼(a throwaway term),哪知后来,无心插柳柳成荫,就被用来做为该学说的名称;这有㸃像「黑洞(Black Hole)」这个名称,也是当时有位报社女记者,在报导有关该研究时,为了让读者易懂,不经意的取了这个名词,并把它列在新闻的头条,后来又被美国著名的科学家 John Wheeler,引用在他的研讨会报告中,因而得以存世留名;有关这些轶事,容我在未来博文中再向读者老爷您𢑥报;

注四:其实这个「大爆炸学说」的主要科学论述,可追溯到 1940 年代,以俄裔美国科学家 George Gamow 及其同僚(Ralph Alpher Robert Herman)为首的研究为代表,隔了近四分之一世纪,直到 1965 年「宇宙微波背景辐射图(Cosmic Microwave Background RadiationCMB)」被证实确认后,才正式由「学说」成为科学界公认的「原理」(the Big Bang “theory”),而且迄今仍被学界认为是用来解释宇宙起源的最好原理(the best theory of how the Universebegan )。〕

依据「大爆炸理论」的说法,宇宙在「大爆炸」之前,应是处在一极高能量、极高密度又极高温度的状态,当它开始瞬间膨胀时,温度遀之急速下降,在短短三分钟内(参阅下图,请注意图中上下轴所示的时间和温度变化;creditgrandunificationtheory.com),温度由 1032 度(絶对温度,以下同)剧降到 109 度,这时能量被压缩形成质子(proton)、中子(neutron)和电子(electron),当温度继续下降,这时所有原子量轻的「元素(elements)」就逐一形成,例如质子和中子相互碰撞形成了重氢(deuterium),而大多的重氢,又结合形成了氦(helium)以及微量的锂(lithium)。

直到「大爆炸」后的 38 万年时,由于「宇宙」仍处在约 6000 度的高温下,所有这些最早形成的原子,只能以「等离子体(plasma)」存在,此时由于质子、中子及电子的散射效应,整个「宇宙」因而显得如云雾状般的混沌不清(opaque)。下图(Credit: European Southern Observatory)即是以现今距地球 7200 光年远,含有为数约 40 万颗恒星,代号为 NGC 6397 的银河聚落(cluster)为例,由于其年龄约为 135 亿年,咸被用来代表「大爆炸」后,宇宙最早形成时之景象(即混沌不明的云雾状)。(待续)





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