第1章宇宙简史

天地玄黄,宇宙洪荒。

东南西北曰宇,古往今来曰宙。

宇指一切的空间,包括东,南,西,北等一切地点,是无边无际的;宙指一切的时间,包括过去,现在,白天,黑夜等,是无始无终的。

宇宙是由时间、空间、物质和能量所构成的统一体,是天地万物的总称。

辩证唯物主义认为:宇宙是物质世界,在空间上它无边无界。

时间上也无始无终。它不依赖于人的意识而客观存在,且处于不断运动和发展之中。

一般理解的宇宙是指,我们所存在的一个时空连续系统,包括当中的所有能量、物质和事件,对于这一体系的整体解释构成了宇宙论。

宇宙是如何起源的?

这是从两万多年前的古代哲学家都到当今的科学家一直都在苦苦思索的问题。

关于宇宙起始的争论从古延续到至今,基本上存在两个思想学派。

许多早期的传统,以及基督教、犹太教、和***教都认为宇宙是创生时间距离他们相当近。

十七世纪时,邬谢尔主教算出宇宙诞生的日期是公元前4004年,这个数目是把在旧约圣经中人物的年龄加起来而得到的1927年。

而在光恒纪前在学术界影响较大是1927年由比利时数学家勒梅特提出的“大爆炸宇宙论”。

勒梅特认为:“最初宇宙的物质集中在一个超原子的“宇宙蛋”里,在一次无与伦比的大爆炸中分裂成无数碎片,形成了今天的宇宙。

宏观宇宙是相对无限延伸的。”

1948年,俄裔美籍物理学家伽莫夫等人,又详细勾画出宇宙由一个致密炽热的奇点于150亿年前一次大爆炸后,经一系列元素演化到最后形成星球、星系的整个膨胀演化过程的图像。

关于宇宙的起源的问题,至今还有待人类去探索发现。

天文学家根据很久很久以前宇宙爆炸的线索推出,也就是当时被称为“大爆炸”事件。

实际上大爆炸发生在完全黑暗之中,因为光不存在,所以没有火焰。

爆炸时随着巨大的辐射,只用了不到万亿分之一秒的时间,也就是一瞬间,第一样东西出现了。

一半的亚原子变成了物质,也就是组成我们自身的东西。

而另一半则变成了和物质相反的东西--反物质。

两者相遇就会湮灭为能量,不过幸好的是物质要比反物质多,十亿个亚原子里面只有一个得以幸存下来,剩下来的部分就是我们现在宇宙的组成部分。

爆炸之初,物质只能以中子、质子、电子、光子和中微子等基本粒子形态存在。

宇宙爆炸之后的不断膨胀,导致温度和密度很快下降。

随着温度降低、冷却,逐步形成原子、原子核、分子,并复合成为通常的气体。

气体逐渐凝聚成星云,星云进一步形成各种各样的恒星和星系,最终形成我们如今所看到的宇宙。

可以说我们的大宇宙是由大爆炸产生的烟雾构成的,当我们的宇宙诞生十分钟后,直径就已经有数千光年。

光年就是光在一年里走过的路程,是一个非常大的距离单位,不过这个在广袤的宇宙中根本不算什么。

而后大约经过33万年的扩张和冷却,烟雾终于散去,我们的宇宙变得可以目视了。

在138亿年前的宇宙创生之初,不但没有时间,而且就连空间以及空间中的物质、能量都没有。

根据广义相对论的推测,宇宙最开始只是一个奇点,它拥有无限高的温度和密度,无限小的体积。

奇点也存在于黑洞的内部,包括最近刚刚直接发现的M87星系黑洞。

在黑洞的中心,奇点似乎是稳定的。

然而,在最初的宇宙中,由于量子涨落,奇点并不稳定,它在大爆炸中创生出时间、空间和能量,宇宙开始形成并演化。

宇宙诞生的一瞬间,物质并不存在,那时的宇宙就像一个由纯能量组成的“原始汤”,包含形成各种粒子所需的全部成分。

在宇宙经历极短时间的暴胀之后,夸克、轻子、胶子、希格斯玻色子等一系列基本粒子就从纯能量中创造出来。

在宇宙诞生几分钟之后,随着宇宙的快速膨胀和冷却,最早出现的基本粒子开始结合在一起形成其他复合粒子,如质子和中子。

质子即为氢原子核,质子又可以形成氕氘氚,氕就是质子,没有任何的中子,氕氘氚都是氢原子核,氘氚分别有一个与两个中子。

而且在现在,氘氚是制作一种威力无比巨大的武器,原子弹的材料,名字叫做氢弹。

原子弹(Atomic bomb)是核武器之一,是利用核反应的光热辐射、冲击波和感生放射性造成杀伤和破坏作用,以及造成大面积放射性污染,阻止对方军事行动以达到战略目的的大杀伤力武器。

核武器爆炸时释放的能量,比只装化学炸药的常规武器要大得多。

例如,1千克铀全部裂变释放的能量约8x10 13焦耳,比1千克梯恩梯炸药爆炸释放的能量x10 6焦耳约大2000万倍。

核武器爆炸释放的总能量,即其威力的大小,常用释放相同能量的梯恩梯炸药量来表示,称为梯恩梯当量。

核武器爆炸,不仅释放的能量巨大,而且核反应过程非常迅速,在微秒级的时间内即可完成。

因此,在核武器爆炸周围不大的范围内形成极高的温度,加热并压缩周围空气使之急速膨胀,产生高压冲击波。

地面和空中核爆炸,还会在周围空气中形成火球,发出很强的光辐射。

核反应还产生各种射线和放射性物质碎片;向外辐射的强脉冲射线与周围物质相互作用,造成电流的增长和消失过程,其结果又产生电磁脉冲。

这些不同于化学炸药爆炸的特征,使核武器具备特有的强冲击波、光辐射、早期核辐射、放射性沾染和核电磁脉冲等杀伤破坏作用。

核武器的出现,对现代战争的战略战术产生了重大影响。

原子弹主要是利用核裂变释放出来的巨大能量来起杀伤作用的一种武器。

它与核反应堆一样,依据的同样是核裂变链式反应。

按理,反应堆既然能实现链式反应,那么只要使它的中子增殖系数k大于1,不加控制,链式反应的规模将越来越大,则最终会发生爆炸。

也就是说,反应堆也可以成为一颗“原子弹”。实际上也是这样,若增殖系数k大于1而不加控制的话,反应堆确实会发生爆炸,所谓反应堆超临界事故就是属于这样一种情况。

反应堆重达几百吨、几千吨,无法作为武器使用。而且在这种情况下,裂变物质的利用率很低,爆炸威力也不大。

要制造原子弹,首先要减小临界质量,同时要提高爆炸威力。

这就要求原子弹必须利用快中子裂变体系,装药必须是高浓度的裂变物质,同时要求装药量大大超过临界质量,以使增殖系数k远远大于1。

原子弹的装药,能大量得到、并可以用作原子弹装药的还只限于铀235、钚239和铀233三种裂变物质。

铀235是原子弹的主要装药。要获得高加浓度的铀235并不是一件轻而易举的事,这是因为,天然铀235的含量很小,大约140个铀原子中只含有1个铀235原子,而其余139个都是铀238原子。

尤其是铀235和铀238是同一种元素的同位素,它们的化学性质几乎没有差别,而且它们之间的相对质量差也很小。

用普通的化学方法无法将它们分离;采用分离轻元素同位素的方法也无济于事。

而氢弹是原子弹的加强版,里面是一个原子弹,外面是液体高压状态下的氘氚,只要达到了临界温度,大约1.6亿度,就可以发生核聚变。

核聚变的威力是核裂变的三至四倍,所以可以想象宇宙中的那一些恒星在无时不刻发生热核反应,是多么的威力巨大。

质子和中子又会结合在一起形成氦原子核,同时还有极少量的氘、锂、铍原子核。氢原子核和氦原子核的质量比为3:1。

由于宇宙的温度和密度迅速下降,更多更重的原子核来不及形成,氢和氦就构成了宇宙的物质基础。

在宇宙形成之后的一段时间里,由于光子与带电粒子的耦合作用,宇宙是不透光的,所以我们无法通过光学手段来窥探宇宙最初时刻的景象。

直到宇宙经历38万年的膨胀和冷却之后,脱耦的光子可以在空间中自由传播,宇宙才变得透光,这就是我们通过光学手段所能观测到的最早宇宙景象。

这些最古老的光子如今还在整个宇宙中游荡,各个方向的分布都非常均匀,它们被称为宇宙微波背景辐射。

由于空间膨胀拉长了最初光子的波长,这些光已经成了肉眼无法看见的微波。各向同性的宇宙微波背景辐射是宇宙大爆炸理论最有力的证据之一。

经过大约1亿年的演化,宇宙的温度开始适合恒星的形成。氢、氦气体云在引力作用下形成了质量巨大的第一代恒星,它们的核聚变反应可以产生各种重元素。

并且在第一代恒星的短暂一生结束之时,剧烈的超新星爆发不但可以进一步合成更重的元素,而且还能把重元素抛射到的宇宙中,成为下一代恒星的原料。

虽然恒星合成了重元素,但与氢和氦相比,重元素的比例非常低。经过138亿年后,如今宇宙中99%的物质(不包括暗物质)仍然是由氢和氦组成,并且它们的质量比还是差不多3:1,这也能作为宇宙大爆炸理论的有力证据之一。

在第一代恒星出现之后不久,星系开始形成,其中也包括我们的银河系。

如果我们现在观测最为遥远的宇宙,可以看到早期宇宙的星系都是一些尚在发育的星系,这也能支持宇宙大爆炸理论。

而且还有一些其他的理论,比较著名的是平行宇宙理论,也就是说,在我们的宇宙形成的时候,同时存在许许多多个奇点,发生了爆炸,从而产生了许许多多个平行宇宙。

星系的中心天体是恒星,所有的恒星都从通常被称为星云或分子云的气体和尘埃坍缩中诞生。

恒星的演化开始于巨分子云。一个星系中大多数虚空的密度是每立方厘米大约0.1到1个原子,但是巨分子云的密度是每立方厘米数百万个原子。

一个巨分子云包含数十万到数千万个太阳质量,直径为50到300光年。

在巨分子云环绕星系旋转时,一些事件可能造成它的引力坍缩。

巨分子云可能互相冲撞,或者穿越旋臂的稠密部分。邻近的超新星爆发抛出的高速物质也可能是触发因素之一。

最后,星系碰撞造成的星云压缩和扰动也可能形成大量恒星。

坍缩过程中的角动量守恒会造成巨分子云碎片不断分解为更小的片断。

质量少于约50太阳质量的碎片会形成恒星。在这个过程中,气体被释放的势能所加热,而角动量守恒也会造成星云开始产生自转之后形成原始星。

恒星形成的初始阶段几乎完全被密集的星云气体和灰尘所掩盖。

通常,正在产生恒星的星源会通过在四周光亮的气体云上造成阴影而被观测到,这被称为博克球状体。

质量非常小(小于太阳质量)的原始星的温度不会到达足够开始核聚变的程度,它们会成为褐矮星,在数亿年的时光中慢慢变凉。

大部分的质量更高的原始星的中心温度会达到一千万开氏度,这时氢会开始聚变成氦,恒星开始自行发光。

核心的核聚变会产生足够的能量停止引力坍缩,达到一个静态平衡。恒星从此进入一个相对稳定的阶段。

如果恒星附近仍有残留巨分子云碎片,那么这些碎片可能会在一个更小的尺度上继续坍缩,成为行星、小行星和彗星等行星际天体。

如果巨分子云碎片形成的恒星足够接近,那么可能形成双星和多星系统。

在几百万年的过程中,原恒星达到平衡的状态,安顿下来成为所谓的主序星。

恒星大部分的生命期都在以核聚变产生能量的状态。

最初,主序星在核心将氢融合成氦来产生能量,然后,氦原子核在核心中占了优势。

像太阳这样的恒星会从核心开始以一层一层的球壳将氢融合成氦。

这个过程会使恒星的大小逐渐增加,通过次巨星的阶段,直到达到红巨星的状态。质量不少于太阳一半的恒星也可以经由将核心的氢融合成氦来产生能量,质量更重的恒星可以依序以同心圆产生质量更重的元素。

像太阳这样的恒星用尽了核心的燃料之后,其核心会塌缩成为致密的白矮星,并且外层会被驱离成为行星状星云。

质量大约是太阳的10倍或更重的恒星,在它缺乏活力的铁核塌缩成为密度非常高的中子星或黑洞时会爆炸成为超新星。

虽然宇宙的年龄还不足以让质量最低的红矮星演化到它们生命的尾端,恒星模型认为它们在耗尽核心的氢燃料前会逐渐变亮和变热,然后成为低质量的白矮星[2]。

不知道在那哪一个岁月里,在银河系的一个角落,一颗主序星开始形成,随后又不知道过了多久,开始变成红巨星,随后又变成了超巨星,不过就在这个时候。

它的引力似乎不够了,开始发生坍塌,剧烈收缩,巨大的引力势能转化为内能,又开始剧烈发光,变成了超新星!

随后发生了超新星爆发,巨大的亮度瞬间照亮了整个星系!

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