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宇宙的发展演变是如何循环往复的?

阳阳资讯网2019-11-02 04:08 952 人围观
正文

宇宙是如何起源的?空间和时间的本质是什么?这是从2000多年前的古代哲学家到现代天文学家一直都在苦苦思索的问题。经过了哥白尼、赫歇尔、哈勃的从太阳系、银河系、河外星系的探索宇宙三部曲,宇宙学已经不再是幽深玄奥的抽象哲学思辩,而是建立在天文观测和物理实验基础上的一门现代科学。 目前来说,最为普遍的是“大爆炸宇宙论”是1927年由比利时数学家勒梅特提出的。但是,宇宙大爆炸仅仅是一种学说,是根据天文观测研究后得到的一种设 想。 大约在150亿年前,宇宙所有的物质都高度密集在一点,有着极高的温度,因而发生了巨大的爆炸。大爆炸以后,物质开始向外大膨胀,就形成了今天我们看到的宇宙。大爆炸的整个过程是复杂的,现在只能从理论研究的基础上,描绘过去远古的宇宙发展史。在这150亿年中先后诞生了星系团、星系、我们的银河系、恒星、太阳系、行星、卫星等。现在我们看见的和看不见一切天体和宇宙物质,形成了当今的宇宙形态,人类就是在这一宇宙演变中诞生的。 科学家认为它起源为137亿年前之间的一次难以置信的大爆炸。这是一次不可想像的能量大爆炸,宇宙边缘的光到达地球要花120亿年到150亿年的时间。大爆炸散发的物质在太空中漂游,由许多恒星组成的巨大的星系就是由这些物质构成的,我们的太阳就是这无数恒星中的一颗。原本人们想象宇宙会因引力而不再膨胀,但是,科学家已发现宇宙中有一种 “暗能量”会产生一种斥力而加速宇宙的膨胀。 大爆炸后的膨胀过程是一种引力和斥力之争,爆炸产生的动力是一种斥力,它使宇宙中的天体不断远离;天体间又存在万有引力,它会阻止天体远离,甚至力图使其互相靠近。引力的大小与天体的质量有关,因而大爆炸后宇宙的最终归宿是不断膨胀,还是最终会停止膨胀并反过来收缩变小,这完全取决于宇宙中物质密度的大小。 理论上存在某种临界密度。如果宇宙中物质的平均密度小于临界密度,宇宙就会一直膨胀下去,称为开宇宙;要是物质的平均密度大于临界密度,膨胀过程迟早会停下来,并随之出现收缩,称为闭宇宙。 问题似乎变得很简单,但实则不然。理论计算得出的临界密度为5×8^-30克/厘米3。但要测定宇宙中物质平均密度就不那么容易了。星系间存在广袤的星系间空间,如果把目前所观测到的全部发光物质的质量平摊到整个宇宙空间,那么,平均密度就只有2×10^-31克/厘米3,远远低于上述临界密度。 然而,种种证据表明,宇宙中还存在着尚未观测到的所谓的暗物质,其数量可能远超过可见物质,这给平均密度的测定带来了很大的不确定因素。因此,宇宙的平均密度是否真的小于临界密度仍是一个有争议的问题。不过,就目前来看,开宇宙的可能性大一些。 恒星演化到晚期,会把一部分物质(气体)抛入星际空间,而这些气体又可用来形成下一代恒星。这一过程中气体可能越来越少(并未确定这种过程会减少这种气体。)。以致于不能再产生新的恒星。10^14年后,所有恒星都会失去光辉,宇宙也就变暗。同时,恒星还会因相互作用不断从星系逸出,星系则则因损失能量而收缩,结果使中心部分生成黑洞,并通过吞食经过其附近的恒星而长大。(根据质能守恒定律,形成恒星的气体并不会减少而是转换成其他形态。所以新的恒星可能会一直产生.) 10^17~10^18年后,对于一个星系来说只剩下黑洞和一些零星分布的死亡了的恒星,这时,组成恒星的质子不再稳定。10^32年后,质子开始衰变为光子和各种轻子。10^71年后,这个衰变过程进行完毕,宇宙中只剩下光子、轻子和一些巨大的黑洞。 10^108年后,通过蒸发作用,有能量的粒子会从巨大的黑洞中逃逸出。宇宙将归于一片黑暗。这也许就是开宇宙“末日”到来时的景象,但它仍然在不断地、缓慢地膨胀着。(但质子是否会衰变还未得到结论,因此根据质能守恒定律。宇宙中的质能会不停的转换。)闭宇宙的结局又会怎样呢?闭宇宙中,膨胀过程结束时间的早晚取决于宇宙平均密度的大小。如果假设平均密度是临界密度的2倍,那么根据一种简单的理论模型,经过400~500亿年后,当宇宙半径扩大到目前的2倍左右时,引力开始占上风,膨胀即告停止,而接下来宇宙便开始收缩。 以后的情况差不多就像一部宇宙影片放映结束后再倒放一样,大爆炸后宇宙中所发生的一切重大变化将会反演。收缩几百亿年后,宇宙的平均密度又大致回到目前的状态,不过,原来星系远离地球的退行运动将代之以向地球接近的运动。再过几十亿年,宇宙背景辐射会上升到400开,并继续上升,于是,宇宙变得非常炽热而又稠密。 在坍缩过程中,星系会彼此并合,恒星间碰撞频繁。 宇宙大爆炸至今已有约200亿年的历史,时至今日。宇宙目前正处于繁星期中期。在这个时期,恒星和星系保持较高的能量,因此夜空中呈现一片繁星闪烁的景象。天文学认为,太阳是一个已经45亿岁的黄矮星。再过数十亿年以后,当它的能量逐渐消耗完的时候,它将先衰变为红巨星,然后进一步变成白矮星。这时候的太阳只有地球一般大小,而且由于它散发出的巨在热量,它将使地球上的一切生命无法存在,那时人类将不得不在宇宙中另寻栖身之地。有一种叫做红矮星的恒星不会衰变成红巨星,但它们的燃料也只能维持10万亿年。当红矮星最后也开始逐渐黯淡下去的时候,宇宙就开始进入衰落期。


衰落期 亚当斯等人认为,宇宙的衰落期将从距今1000亿年以后开始。在这个时期,宇宙中到处都是失去燃料的星体残骸,它们包括白矮星、褐矮星、中子星和黑洞。这个时期的一个特点是,原来巨大的恒星坍塌到相对较小的空间之内,可能只有原来恒星的核心部分那么大。由于这些物质无法再利用氢为原料进行核聚变,因此它们完全失去了光辉。这时的次原子微粒也失去了以往的物理特性。 在衰落期,星系开始逐渐解体。衰变的星体相互碰撞,一些将从此漫游于广阔原星际空间,一些便滑向星系的中心部分。在此过程中,一此星体残骸将被黑洞吞噬,而两颗褐矮星也有可能相撞形成新星。这时宇宙中的文明将不得不适应衰落期的现实,而新的生命将不会自动产生。研究人员通过计算发现,衰落期的白矮星将吸收宇宙中游离的“弱相互作用质量微粒”,这一过程将给黯淡的宇宙增添一丝热量。


黑洞期 恒星的残骸开始解体,这时宇宙的演变将慢慢进入黑洞期。衰落期终结时光子开始丧失(光子存在于每一个电之之中),光子的丧失将导致白矮星和中子星的解体,使宇宙中绝大部分质量转化为能量,同时标志着衰落期的结束。随着光子从电子中逃逸出来,一切以碳为基础的生命将不能在宇宙中继续生存。由于黑洞具有极大的引力,它能将一切靠近它的物质吸引到其中而成为它的一部分。但根据量子力学理论,黑洞的周围部分也会损失一些能量。这些微小的损失在经典物理学中几乎可以忽略不计,但经过亿万年的过程,黑洞最终也逃脱不了解体的结局。


黑暗期 黑暗期是指整个宇宙处于一片黑暗。亚当斯等天文学家们认为,当宇宙中最后一个黑洞也烟消云散之后,整个宇宙的景像是茫茫宇宙陷入一片黑暗,所有的星星早已燃烧殆尽,一切有机生命形式都归于沉寂,黑暗之中仅存的是由一些基本粒子构成的薄云。一片由正电子、负电子、光子和中微子组成的云雾散布在无边无际的时空当中。在大约100个宇宙年代(10的100次方年)之后,光的波长将变得相当长,亮度也变得相当暗,那时的宇宙将成为一个当今人们无法了解的世界。


这幅由亚当斯和劳林描绘的图画,也许是目前人们能得到的关于宇宙终结的最具体的描述。


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