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宇宙演化史(2 / 2)

“噢,不要在谈论升高温度了,没有时间、空间和各种粒子,这不是我所能理解的世界。”

(二):魔炉大爆炸

“好吧,让我们进行实验的最后一步,把炉壁去掉。”

“噢不!这样会发生巨大的爆炸的。我还是躲得越远越好。”

“这种爆炸的烈度,即使躲到月亮上去都没有用处。为了保证我们的安全,我会把炉子搬到很远很远的地方去。那就把它送到星际空间去吧,而且是200亿年前的星际空间中。现在你感到安全了吧。”

“现在我还感觉不到大地在颤抖。”

“万分危险的实验开始了。去掉炉壁,放出加热到1亿亿亿亿度的‘东西’——科学家们叫这种东西为‘等离子体’。原先被封闭住的炽热的等离子体立即失去了控制,以光的速度向外飞散,引起了爆炸。在很短的时间里,由于压力和温度的降低,等离子体中出现了转化出来的质子和中子。”

“这是刚才升高温度的逆过程。”

“对,温度的下降使许多粒子诞生出来,比方说——电子。”

“这没有什么奇怪的。”

“不,这是一个十分重要的过程。爆炸后的尘埃中既然有了质子和电子,就会产生出另外的一些物质。”

“让我想想,一个电子和一个质子结合。啊!是氢原子。”

“是的,是氢原子。这样,我们便成功地从‘虚空’中、从纯能量中‘制造’出了重要的物质—氢原子。”

“氢原子是产生其它各种元素的基本原料,难道说,这样的一场爆炸产生了宇宙中的一切物质,银河系、太阳系、地球和我们人类吗?”

“刚才我们谈论的内容,就是关于宇宙诞生的一种理论——大爆炸理论,在科学家中这种理论是最流行的。如果你愿意耐心听,我乐意把宇宙诞生更详细地讲述。”

“让我们现在就开始吧。”

“宇宙诞生的第一阶段,也就是温度大于魔炉的最高温度1亿亿亿亿度的时期,对于这个阶段,科学家还不敢妄下结论,谈论有关的细节。”

“人类总是有不知道的东西。可以原谅。”

“第二个阶段是温度下降到刚才的1/10000的时期,此时能量产生出物质。在宇宙中充满各种可能的粒子,夸克、电子、中微子、光子、胶子等都在这个阶段产生了。第三个阶段温度继续下降到100万亿度以下,各种粒子的能量大大降低了。”

“能量的高低和物质的产生有关系吧?”

“是的,第三个阶段又被称为夸克冷却阶段,只有在一定的能量范围内,某些反应才会发生。前三个阶段的时间过程是瞬间的,只有1/1000000秒的时间。此后进入到第四个阶段——质子时期,从宇宙诞生后的1/1000000秒到1/1000秒。此时夸克、反夸克和胶子便开始大量毁灭,夸克与反夸克的相遇导致了湮灭,产生出两个光子或电子与反电子对,两个胶子的湮灭也能转化出两个光子。而夸克与胶子的相遇使质子和中子的诞生成为可能。因此,1/1000秒年龄的宇宙中含有电子、正电子、光子、中微子以及质子和中子。”

“这些粒子还在飞快地运动吗?”

“以光速运动,并伴随着温度的迅速降低。进入到第五个阶段,即1/1000秒到100秒,宇宙的温度逐渐下降到10亿度左右。”

“虽然还是很热,但同炉壁刚撤去时还是凉快多了。”

“第五阶段被称为辐射的宇宙,最重要的过程是电子和正电子的湮灭,产生了大量的光子。在第五阶段结束时,宇宙是由约10亿度的光子和中微子构成的,当然,还有质子和中子。第六个阶段从100秒到30分钟。”

“啊!宇宙此时只是个出生半小时的婴儿。”

“三分钟后时,宇宙的温度下降到9亿度,质子和中子的碰撞现象开始频繁出现,碰撞的结果会产生氢核的一种——氘。氘粒子并不是一种稳定的粒子,一定的能量加入,就会使它很容易地蜕变为一个质子和一个中子。不过宇宙毕竟是能够产生的。当氘粒子相互之间碰撞时,很容易形成一个由两个质子和两个中子组成的粒子——氦核。”

“氦我知道,它是元素周期表的第二号元素。氦核的存在是否会产生更多的粒子呢?”

“是这样。从宇宙诞生后的30分钟到100万年的时间里,电子、质子和氦核不断地相互碰撞,宇宙进入了原子时代,宇宙中的温度使质子和氦核能够借助引力捕捉在它们周围运动的电子,从而形成了氢原子或氦原子。因此当第七阶段结束时,宇宙中的物质由氢原子和氦原子构成。”

“接下来就简单了。从氢原子和氦原子的组合中一定诞生了现在世界里的各种元素。”

“你说的正是宇宙发展的第八阶段,从100万年到200亿年,物质在这个阶段相互组合,产生了千姿百态的形式,形成了星系、恒星和生命。在第八阶段刚刚开始时,宇宙仅仅是由一种热的氢原子和氦原子气体构成的,但是从那以后一直到今天我们谈话时,宇宙的结构变得越来越复杂,先是产生了恒星和星系,它们有的只不过是昙花一现,有的则存在的很长久;在距今大约50亿年前,星际间的尘埃相互凝集在一起,形成了行星,地球也是在这个阶段产生的。又过了十几亿年,生命诞生于宇宙之中。”

“是不是可以这样说,宇宙有它固定的规律,一切物质世界都在这些规律之下运转,所有的一切都是命中注定的。”

“从宇宙的产生和演化来说,的确是这样的。200亿年中所发生的事情,在宇宙的起始点—大爆炸时就决定了,原始的粒子演变出夸克,夸克构成了质子和中子,进而产生了原子核,原子随后诞生并堆积成各种元素,元素的组合构成了世间的万物——星系、行星和生命。”

“难道人类在这个过程中就无能为力吗?人类毕竟是一种会思考的生命,而且还掌握了一些可以发挥威力的知识和工具。人类的轨迹也许并不是完全从属于宇宙的冷冰冰的发展过程。”

“这可能要属于哲学讨论的领域了。人类到底是宇宙演化中的普通一环,还是改变宇宙发展轨迹的终极力量呢?这是个复杂而有趣的话题。我不想对这个问题来一个武断的结论或虚无缥缈的猜想,但我要提醒你,人类目前同整个宇宙相比,是如此的渺小;同宇宙中无尽的奥秘相比,又是多么的无知。”

(三):宇宙爆炸的余烬

“这个问题我并不急于知道答案,你还是回答我另一个问题吧:科学家们是如何知道宇宙在200亿年前发生了大爆炸的?人类只是在几百万年前才出现的,而生命的出现显然在大爆炸之后。”

“这就说来话长了。20世纪60年代初,美国的贝尔电话公司实验室雇用了两名年轻的天文学家,一个是阿尔诺?彭西亚斯,另一位叫罗伯特?威尔森。两位天文学家的任务是改装一台巨大的天线,用它来同第一颗广播卫星进行无线电通讯。然而天文学家是不会满足于完成一项商业目的、挣一点零花钱的,科学如果完全为了商业的目的而存在就太卑微了。两人想用这台大天线搞一点‘副业’,用来研究宇宙射线。”

“他们一定发现了什么。”

“1964年春天,彭西亚斯和威尔森发现了一个非常独特的现象。他们在7.35厘米的波长上发现了很强的无线电噪声。在接受信号时会有噪声出现并不奇怪,但是似乎不论把这台精密的天线对准什么方向,都能接收到这种波长为7.35厘米的无线电波。这种无线电噪声似乎与天线的指向无关。电波的产生寻其源头,似乎是温度为3K的物体辐射出的射线。你知道3K相当于多少度吗?”

“让我算算。你所说的3K是指开氏温度,它的最低温度0K是摄氏温度的零下273度,由于两种温度的刻度单位是一样的,因此3K应该等于摄氏零下270度。”

“完全正确。人们把两位天文学家发现的无线电波称为宇宙微波背景辐射。背景辐射来源于‘热爆炸’理论,是由乔治?伽莫夫提出来的。他在1948年的一篇文章中提出,宇宙的原始状态是一个奇热无比的核粒子的混合物,大爆炸是由混合物的迅速膨胀引起的。伽莫夫认为,今天人们在地球上和宇宙中发现的原子也就是当时大爆炸产生的尘埃。‘热爆炸’理论开始并不为天文学家所接受,因为如果宇宙起初很热,那么宇宙中肯定会充满大量的光子,这些光子还将会以均匀的无线电射线存在于宇宙中,这种射线相当于10K温度的物体所辐射的射线。”

“当时的人们并没有发现这种辐射,是吧?”

“对,因此‘热爆炸’理论也就不为人所重视。而当彭西亚斯和威尔森发现了宇宙射线的背景辐射后,人们明白,这种无线电射线就是宇宙大爆炸的余音。宇宙的余音是越来越弱的,人们在彭西亚斯和威尔森的发现之后由进行了无数的实验,其中包括在大气层之外的人造卫星上的实验,排除了大气层的干扰后,所测得的宇宙背景辐射的温度是2.7K;宇宙中的光子的数目和温度还在不断地下降,科学家们计算,10亿年后,如果人类还存在的话,他们测得的宇宙射线的温度将只有2.5K。”

“是不是可以这样说,宇宙正在变的越来越冷呢?”他的理论后来被

“是的,宇宙不仅会变冷,还会变暗。喂,屋子里好像有些冷,向炉子里添一些煤吧?”

“好的。顺便问一句,我们的炉子也会发生大爆炸吗?”

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