打开

宇宙大爆炸“炸”出所有物质!那有没有想过原始材料来自哪?

subtitle
世界有秘密 2021-09-15 14:19

当我们看到宇宙当中⾏星,恒星,星系以及其他的所有物体时,⼀个显⽽易⻅的问题出现了:为什么会有物质存在,⽽不是什么都没有? 如果考虑控制着我们宇宙的那些物理定律,那么问题变得更加有趣。众所周知物质与反物质之间是完全对称的, 但是我们发现我们看到的所有恒星和星系都是由100%的物质组成的,根本没有任何反物质。 而我们跟恒星和星系⼀样,存在的物质⽐反物质的更多。这一切,让我们知道宇宙中的所有都是由物质组成的, 但是这些物质是如何出现的呢? 这个宇宙最⼤的谜团长期以来都困扰着人类,但现在,我们⽐以往任何时候都更接近这个谜团。这⼀一切的开始,都源于宇宙⼤爆炸

打开网易新闻 查看更多图片

在真实世界当中,没有人知道世界上第一个空间,时间和物质是究竟是如何产⽣生的。科学家多年来一直致力于解决这个深奥的问题。不了解人类所在的宇宙,就无法洞察自然法则。到底是什么样的自然法则产生了我们?宇宙又是如何诞生的呢?

要了解宇宙是如何诞生的,则需要发展一种更好的关于空间,时间和物质之间关系的理论。在物理学中,理论不是猜测或假设。它是一个数学模型,可以让我们对世界的行为做出相关预测。例如,爱因斯坦的引力理论准确地描述了物质在我们周围的世界中对引力的反应。但是,现在对宇宙起源的理论并不完整,无法对宇宙初期的起源做出准确的描述。物理学中一些有才华的人正在研究一种称为“弦论”的新的空间,时间和物质理论,它可以帮助我们更好地了解宇宙的起源。

弦论是一个尚未被检验的新思想。该理论假设,自然界中的基本粒子不是点粒子,而是形状像线。这个理论提出了大胆的假设,空间不是三维的,构成我们世界的粒子和力被限制在我们看到的三个维度中而已,但是其中不包括重力。重力是一种可以穿越其它维度的力。弦论为宇宙的起源带来了一些新奇的观点即:当我们自己的宇宙与其他维度构成的“平行宇宙”碰撞时,就会触发“宇宙大爆炸”。弦论的存在其实代表着,我们生活的宇宙可能不是唯一,宇宙大爆炸其实在不断地产生而已,造就的宇宙不仅仅是一个,在那些宇宙中,他们的物质组成可能跟我们不同,甚至是自然法则与空间维数也具有完全不同的地方。甚至生命是否存在也是未知的。宇宙之间的不同导致了其构成也必然不同,生命存在的条件也许不同。

什么是宇宙⼤爆炸理论

宇宙⼤爆炸理论是有关宇宙起源的主要解释。简单点说,它阐述的内容就是,我们已知的宇宙始于⼀个⼩的奇点,然后在接下来的138亿年中,这个点膨胀为我们今天所知道的宇宙。 “⼤爆炸理论”⼀词在天体物理学家中已经流⾏了数⼗年,在2007年,当喜剧《⽣活⼤爆炸》节⽬(该节⽬讲述了⼏位研究⼈员(包括天体物理学家)的家庭和学术⽣活)在 CBS上⾸次亮相时,这个理论已经成为主流。

⼤爆炸理论是一种从宇宙最早的已知时期到随后⼤规模演化的可观测宇宙的宇宙学模型。该模型描述了宇宙如何从极⾼的密度和⾼温的初始状态扩展⽽来,并根据观测到的⼴泛现象提供了全⾯的解释。⾄关重要的是,该理论与哈勃-莱默特定律兼容,即观察到星系越远,它们离开地球的速度就越快。该理论使⽤已知的物理学定律在时间上向后推算宇宙膨胀,在该理论中,时空失去了意义。当前来说,对宇宙膨胀率的详细测量可以推算出宇宙⼤爆炸发⽣在约138亿年前,因此138亿年被认为是宇宙的年龄。

在宇宙初始膨胀后,经过长期的充分冷却,宇宙当中可以形成亚原⼦粒⼦和相关原⼦。这些原始元主要是氢,还有⼀些氦和锂,通过重⼒聚结,形成了早期的恒星和星系,直到今天还可以看到它们的后代。除了这些原始的材料外,天⽂学家还观察到星系周围未知暗物质的引⼒作⽤。宇宙中⼤部分的引力⼒似乎都符合这种引力模式。⼤爆炸理论和各种观测结果表明,宇宙膨胀正在加速,可能是暗能量的存在引起的。

宇宙⼤爆炸理论发展历史

乔治·勒梅特(GeorgesLemaître)于1927年⾸次提出可以将膨胀的宇宙往回追溯到起源的那个奇点,他称那个奇点为“原始原⼦”。埃德温·哈勃(Edwin Hubble)通过对1929年银河红移的分析证实,银河系确实在漂移。银河系的漂移更有力地证明了宇宙正在不断膨胀。1964年,人类发现了宇宙微波背景辐射(CMB),一个支持宇宙大爆炸的重要证据,因为该理论预测了整个宇宙的均匀背景辐射。近⼏⼗年来,⼴泛的经验证据强烈⽀支持了宇宙⼤爆炸理论,当前⼤爆炸理论已被主流科学家普遍接受。

宇宙⼤大爆炸时间线

大爆炸-世界万物的起源

在某个一瞬间,奇点突然膨胀,产生了空间和时间,以及此后宇宙将永远拥有的所有物质和能量。在那时,宇宙只不过是一个密度无穷的火球。主流的理论认为其一种特殊的能量形式,它可以突然将空间推出。在10^-35到10^-33秒内,一个被称为“膨胀”的失控过程会造成充满这种能量的空间急速扩展。然后,当这种能量转化为我们现在所知的物质时,膨胀才会停止。

宇宙初具规模

在膨胀(10^-6秒)之后,即大爆炸之后的百万分之一秒,宇宙继续膨胀,但增长速度并不快。此时,它变得不那么稠密。自然界中基本的力开始出现:首先是重力,然后是将原子核保持在一起的强力,然后是弱和电磁力。到第一秒,宇宙由基本粒⼦(夸克,电子,光子,中微子等等)组成,然后这些粒⼦交织在一起形成质⼦和中子。

地球上基本元素的形成

第3秒,质子和中子聚在一起形成简单元素的核,例如氢,氦和锂。但是,电子被俘获进入这些核周围的轨道以形成稳定原子还需要30万年。

辐射时代

第10000年,宇宙历史上时代出现了能量以辐射的形式存在的时代,这个时代由不同波长的光,X射线,无线电波和紫外线组成。这些能量是爆炸之时的一丝残余,随着宇宙的膨胀扩展,辐射波⼀一直延伸并被稀释到了今天,它们构成了充斥于整个宇宙的微弱微波。

开始物质统治时代

第30万年,此时,物质中的能量与辐射中的能量相等。但是随着无休止的膨胀,光波被拉伸以降低能量损耗,而物质继续产生,基本上不受影响。大约在这个时候,随着电子与氢和氦原子核的连接,形成了中性原子。从这一刻起,微波辐射就停止了。

星系,太阳,地球的诞生

第3亿年,重力开始加大了原始气体的密度并导致其轻微的不规则性。恒星在这这些气体中被点燃,成群的恒星成为了最早的星系。太阳的诞⽣距今已有50亿年,它是在银河系旋转的气体云中形成的。围绕着太阳旋转的大量气体和碎屑产生了行星,卫星和⼩行星,其中包括地球。

人类逐渐开始了解宇宙

螃蟹超新星出现

公元1054年,金牛座的一颗新星的光芒胜过金星。当时,中国,日本等各地都记录下来了这个超新星的出现。但是,在欧洲却没有任何记载,不过这很可能是由于欧洲中世纪缺少对自然的研究而已。直到今天,当时爆炸的残留物造就的蟹状星云依稀可见。在其星云中,后来天文学家还发现了一个脉冲星,它是一颗爆炸的恒星的残留物。

伽利利略略制造出第⼀一架望远镜

公元1609年,伽利利略制造了他的第一个望远镜。他看到了木星的卫星及土星的环,金星的相位以及银河系中的星星。

艾萨克·牛顿描述重力

公元1665年,年仅23岁的艾萨克·牛顿(Isaac Newton)意识到,重力是导致地球物体坠落以及月球和行星在轨道上运动的主要原因。这是宇宙史上革命性的一步,因为它将地上行的影响扩展到了地球之外。换句话说,从那时起,在我们的星球上发现和测试的规律正式迈入宇宙。

爱因斯坦(Albert Einstein)发表相对论

公元1905年,爱因斯坦发表了相对论,相对论是二十世纪科学贡献中最重要的一项。爱因斯坦认识到光速是宇宙中的绝对速度极限,因此将先前分开的时与空的概念改变成为统一的时空。十一年后,他的相对论引力模型替代了牛顿的引力模型,在新的引力模型中,引力被解释为物体对时空扭曲的反应,该扭曲是物质本身造成的。⿊洞和宇宙膨胀就是这一革命性理论的直接产物。

埃德温·哈勃(Edwin Hubble)发现宇宙正在膨胀

公元1929年,埃德温·哈勃(Edwin Hubble)发现宇宙正在膨胀。天文学家埃德温·哈勃(Edwin Hubble)在山上使用了新的天文望远镜发现一个星系越远,它的光越偏向于红色。光越红,它远离我们的速度越快。通过这种“多普勒频移”,哈勃证明了宇宙不是静止的,而是向各个⽅向扩展。他还发现星系比任何人想象的都要宽阔得多。

类星体被⼈人类发现

公元1960年艾伦·桑德奇(Allan Sandage)和托马斯·马修斯(Thomas Matthews)找到了强大的⽆无线电能量源,称其为准恒星无线电源。四年后,马尔滕·施密特(Maarten Schmidt)发现这些无线电源位于可见的宇宙的边缘。近年来,天文学家已经意识到它们是位于年轻星系中心的巨大黑洞,物质在其中被加热,并发出明亮的光芒。

微波背景辐射的发现

公元1964年,贝尔实验室的科学家发现了微波辐射,它从太空的各个方向向地球渗透,这些辐射经过分析,应该是宇宙大爆炸时的残留。

脉冲星的发现

1967年,安东尼·休伊什教授发现了强烈的脉冲无线电能脉冲源,即脉冲星。脉冲星是中子星的第一个已知粒子,中子星是在某些超新星之后形成的密度极高的物体。螃蟹脉冲星是公元1054年世界各地机载的颗超新星爆炸的残留物。

超新星1987 发出的光到达地球

1987年,这颗超新星发出的光到达了地球。美国和日本的地下传感器首先从爆炸中检测出称为中微⼦子的亚原子粒子。天文学家通过南半球的天文望远镜研究星体的爆炸,并建立了恒星死亡的完美模型。

哈勃太空望远镜发射升空

1990年,配备94英寸反射镜的12吨望远镜-哈勃太空望远镜乘坐发现号航天飞机被送入预定轨道。但在两个月内,发现其镜面中存在一个缺陷。1993年年,奋进号航天飞机上的宇航员成功地修正了哈勃望远镜有缺陷的光学系统,从而开创了太空航天的新纪元。

未来宇宙会是什么样子?

在宇宙大爆炸之后的10000年到100万亿年的恒星时代,宇宙产生的大部分能量都是以恒星燃烧的方式展现出来的。天文学家认为,只要宇宙继续膨胀并且在自身引力的作用下不会塌陷,宇宙最终会逐渐枯萎。我们目前已知的物质或能量其实已经被恒星锁定,这些恒星消亡之时必然会爆炸并且坍塌成黑洞,或者凋零为白矮星。最终物质全被黑洞蒸发,宇宙最终进入黑暗时代。宇宙不是一个永存的东西,它一定也有寿命,当其逐渐萎缩之时,就代表着能量的消亡。

“宇宙大爆炸”,如何做到“从⽆无到有”

当我们观察宇宙时,充斥着恒星,星系,气体云,星团,等等一系列的大规模结构,一切似乎都是由物质而非反物质构成的。但是,这似乎是不可能的。一方面,鉴于宇宙中的粒子和它们之间的相互作用,没有已知的方法可以使物质比反物质更多。另一方⾯面,我们看到的一切绝对是物质而不是反物质。这就是我们所知道的。⽆无论何时何地,反物质和物质在宇宙中相遇,都会因粒⼦-反粒子的毁灭从而产生惊人的能量爆发。

我们实际上在某些位置已经观察到了这种湮灭,但仅局限在能够产生同等数量的物质和反物质的超高能源体周围,例如在巨大的黑洞周围。当反物质碰到宇宙中的物质时,会产生非常特定频率的我们可以检测到的伽马射线。星际和银河系之间的介质充满了各种物质,但是,捕捉伽马射线是异常困难的,这也说明反物质粒子几乎很难存在,因为一旦存在,特征会立刻显露出来。因此,尽管我们不确定如何捕捉到反物质粒子,但在过去,我们的确创造出过反物质。 物质和反物质之间的对称性,比想象的还要精妙,这一点也更加令人困惑。 例如:每次我们创造一个夸克与反夸克,每次夸克被破坏,反夸克也被破坏。

最新理论称:一种新的能源可能为大爆炸提供了动力

尽管天文学家了解了大爆炸后仅几秒钟的宇宙,但始终没人知道大爆炸发生时究竟发生了什么?或者说,宇宙大爆炸之前发生了什么? 是什么推动了宇宙大爆炸的出现? 宇宙中所有东西最初究竟是从哪里来的? 大爆炸之前的宇宙是什么样的?不过,科学家们对于宇宙大爆炸的推动力问题提出了各种新奇的想法,并且创建了很多很大胆的太空任务来验证这一系列的想法。

新理论: “膨胀的宇宙”

我们将这些主要的想法称之为“膨胀宇宙”模型。该模型的主要假设是,在宇宙大爆炸之前,空间中充满了了一种不稳定的能量,不过其具体性质尚不清楚。在一瞬间,这种能量被转化为基本粒子,由此产生了了我们今天观察到的所有物质。那一刻即是我们所谓的宇宙大爆炸。该模型的一个显着结果是,即使一个空间的精确点包含了这种原始形式的能量,该空间的精确点也会非常迅速地扩展,并将产生更多的同类能量。实际上,宇宙中的所有物质都可能源于一个不超过豌⾖的原始能量。这种惊人的情况是将爱因斯坦的力引理论应用于急速膨胀的宇宙模型的结果。

因此,在已知的自然定律中是可以解释宇宙中物质和能量来源的,不过,前提至少要有很⼩小的能量量种子。能量种子也许不会像我们想象的具备超强的能量,很多时候,可能能量的出现仅仅需要一个诱因,一旦诱因存在,即可造就一个伟大的奇迹。一般来说,理论模型只有通过各种实例检验才可用。目前宇宙膨胀模型已经可以被很多实例所检验,最终得出一系列的结果。其中重要的一个是,原始能量本来是“块状的”,即在宇宙中不均匀地散布,即宇宙极小时产生的一种量子噪声。当这些量子噪声被转移到大爆炸期间突然存在的粒子上时,整个宇宙的物质就不规则地散布出来。有些地方的物质会稍微多一些,有些会少一些。宇宙诞生之时的特点,对于人类来说是非常幸运的,如果爆炸时产生的物质规则的分布,则不会形成恒星行星等等天体,那么人类也不会诞生。

研究最新进展:宇宙膨胀模型的证据

如果宇宙膨胀模型是正确的,那么我们应该在“大爆炸”的残留物中看到这种块状结构。 天文学家在 2003年由NASA的WMAP太空探测器拍摄的大爆炸残留物的壮观照片中,恰好观察到了这种表现形式。 由于我们宇宙中的自然法则制约,光的传播速度是一个标准值,因此,我们可以足够幸运地得到很多宇宙的信息。就像这个宇宙大爆炸残留物的图片,这张图片向我们展示了大爆炸发生后约30万年的宇宙。宇宙膨胀模型之所以重要,是因为它第一次使我们瞥见了大自然是如何创造宇宙的物质的。也就是说,只有很小的“种子”数量和能量就完全足够了。

结束语 不是每个平行宇宙都拥有生命

大自然总是会充满了惊喜,人类其实与自然的对话还有很长很长的路要走。随着每一代人的努力,我们观察到的宇宙似乎越来越大,越来越精彩。就在几百年前,我们在夜空中看到的星星似乎是我们宇宙的极限。随后,伽利略的望远镜将我们的视野拓展到了更广阔的星系当中。仅仅一个世纪以前,人类还不知道宇宙中拥有数十亿个比银河系还要大的星系。而今天,我们可以看到几乎一切的存在,甚至可以追溯到宇宙大爆炸本身的那一刻。我们的想法和独创性正在使一个比我们想象中更大,更多样化的宇宙更加变幻莫测。

在我们的概念里,宇宙是最为庞大的存在,在这个宇宙中,我们所已知的任何一切都是来自于自己宇宙的自然法则。但,有没有人考虑过,为什么自然界的规律总是如此,例如,为什么光速是一个恒定的速度等等。传统物理学家一直在寻找着某种逻辑,可以诠释人类内心中的困惑,甚至可以解释宇宙为什么如此。但根据理论的不断发展,可以看出,多宇宙并存,也就是平行宇宙的确是存在的。所有的宇宙诞生初期都是一颗能量种子,当爆炸之时形成一个独特的宇宙,每个宇宙内部有着自己的自然法则而已。至于生命,引用国外科学家的一句话:生命只是大自然掷筛子的结果,当某些宇宙具备相应的条件时,生命自然会诞生。也就是说,即使平行宇宙诞生,也不意味着每个宇宙都拥有着生命。

特别声明:本文为网易自媒体平台“网易号”作者上传并发布,仅代表该作者观点。网易仅提供信息发布平台。
73赞
大家都在看打开应用 查看全部
网易热搜每30分钟更新
打开应用 查看全部
打开