主题:宇宙最初三分钟

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宇宙诞生之前,没有时间,没有空间,也没有物质和能量。大约150亿年前,在这四
大皆空的 “无” 中,一个体积无限小的点爆炸了。时空从这一刻开始,物质和能量也
由此产生,这就是宇宙创生的大爆炸。 
  刚刚诞生的宇宙是炽热、致密的,随着宇宙的迅速膨胀,其温度迅速下降。最初的
1秒钟过 后,宇宙的 温度降到约100亿度,这时的宇宙是由质子、中子和电子形成的一
锅基本粒子汤。随着这锅汤继 续变冷, 核反应开始发生,生成各种元素。这些物质的
微粒相互吸引、融合,形成越来越大的团块,并逐 渐演化 成星系、恒星和行星,在个
别天体上还出现了生命现象。然后,能够认识宇宙的人类终于诞生了。 
  这幅大爆炸图景,是目前关于宇宙起源最可能的一种解释,被称为“大爆炸模型”
。大爆炸理论诞生 于20年代,在40年代由伽莫夫等人进行补充和发展,但一直寂寂无闻
。直到50年代,人们才开始广泛注 意这个理论,不过也只是觉得它很好玩,并不信服。
人们更愿意认为,宇宙是稳定的、永恒的。 
  但是,越来越多的证据表明,大爆炸模型在科学上有强大的说服力。我们不得不相
信,宇宙有一个开始,也将有一个终结。它产生于“无”,也终将回归于“无”。 
宇宙:可有始,可有终? 
  在人类历史的大部分时期,有关创世的问题,一向是留给神去解决的。宇宙起源于
何处?终点 又在哪里?生命如何产生?人类怎样出现?对这些疑问,许多宗教都能给出
一份体系完备的答案。至于 上帝从哪里来,这种问题是不该问的。 
  直到最近几个世纪,人们才开始学着把神撇开,以超越宗教的角度,去思考世界的
本源。这样 一来, 就有一个重大的原则性问题需要解决:宇宙是永恒存在的,还是有
起始的? 
  这两种说法长久以来一直困扰着科学家、哲学家和神学家,对于普通人来说,更是
难以理解。 假设宇 宙在时间上没有起源,即过去一直存在,那么宇宙的年龄就是无穷
大了。无穷大这个概念,一听 就让人 头昏脑胀:既然是已经过去了无穷久的时间,我
们的“现在”又是什么呢?而如果说宇宙是有起 始的, 那么它就是从“无”中突然产
生的了,这最初的一刹那,又是怎样呢? 
  凭着人类在短暂的生命中获得的常识,实在是很难想明白这些东西。不过,我们可
以从科学上寻求一些佐证。大爆炸模型的一个基本假设是宇宙的年龄有限,这个说法令
人信服的直接理由,来自物 理学中 一条最基本的定律——热力学第二定律。这条科学
史上最令人伤心绝望的定律,冥冥中早已规定 了宇宙 的命运。 
  简而言之,第二定律认为热量从热的地方流向冷的地方。对任何物理系统,这都是
众所周知并 且显而 易见的特性,毫无神秘之处:开水变凉,冰淇淋化成糖水。要想把
这些过程倒过来,就非得额外 消耗能 量不可。就最广泛的意义而言,第二定律认为宇
宙的“嫡”(无序程度)与日俱增。例如,机械 手表的 发条总是越来越松;你可以把
它上紧,但这就要消耗一点能量;这些能量来自于你吃掉的一块面 包;麦子在生长的过
程中需要吸收阳光的能量;太阳为了提供这些能量,需要消耗它的氢来进行核反 应。总
之 宇宙中每个局部的嫡减少,都须以其它地方的嫡增加为代价。 
  在一个封闭的系统里,嫡总是增大的,一直大到不能再大的程度。这时,系统内部
达到一种完 全均匀 的热动平衡状态,不会再发生任何变化,除非外界对系统提供新的
能量。对宇宙来说,是不存在 “外 界”的,因此宇宙一旦到达热动平衡状态,就完全
死亡,万劫不复。这种情景称为“热寂”。 
  宇宙正在缓慢地、但坚定不移地走向这无法抗拒的命运,几代智者为此怀疑人类的
存在是否有 意义。 暂且撇开这种沮丧的情绪,作一个简单的推理,我们就可以发现,
宇宙不可能有无限的过去。很 简单, 如果宇宙无限老,那它早就已经死了。以有限速
率演变的东西,是不可能永远维持下去的。换句 话说, 宇宙必然是在某个有限的时间
之前诞生的。 
大爆炸:有推论有根据 
  第二定律明示了宇宙有起始,但这个重要推论竟然被19世纪的科学家忽略了,它只
是在后来成 为大爆 炸模型的佐证。该模型的提出,是基于20世纪初的天文观测。 
  20年代,天文学家埃德温·哈勃注意到,不同距离的星系发出的光,颜色上稍稍有
些差别。远 星系的 光要比近星系红一些,即波长要长一些,这种现象被称为“哈勃红
移”。它说明,各星系正以很 高的速 度彼此飞离。一列火车快速驶远时,它的汽笛声
听来会沉闷很多,因为声波相对于我们的频率变低、波 长变长了,这就是多普勒效应。
把声波换成光,产生的效果就是红移。哈勃对众多星系的光谱进 行研究 后确认,红移
是一种普遍现象,这表明宇宙正在膨胀。这一发现,奠定了现代宇宙学的基础。 
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如果宇宙正在膨胀,那它过去必定比较小。如果能把宇宙史这部影片倒过来放,我
们势必会发 现,在 过去的某个时刻,所有的星辰都是聚合在一起的。这个时间大概是
100多亿年前,要准确推断它 比较困 难。 
  另外,宇宙膨胀的速度会随时间发生变化,这与引力有关。万有引力作用于字宙中
一切物质与 能量之 间,起到刹车的作用,阻止星系往外跑,从而使膨胀速度越来越慢
。在诞生初期,宇宙从高密度 状态迅 速膨胀,随着时间的推移,体积越来越大,膨胀
速度越来越小。将这个过程向回追溯到宇宙创生 的那一 刻,可以发现当时宇宙体积为
零,而膨胀速度为无限大。这就是大爆炸。 
  大爆炸是空间、时间、物质与能量的起源。这些概念都不能外推到大爆炸之前。大
爆炸之前发 生了什 么、是什么引起了大爆炸,这些问题在逻辑上就是没有意义的。那
以前所有的,只是“无”。 
  以上所述仅是旁证,似不足以令大多数人信服。如果150亿年前发生了一场大爆炸,
如此惊天 动地的力 量是否在今天的宇宙结构上留下了某种印迹?于是,有一阵子,科
研人员热衷于寻找宇宙创生的 遗迹, 劲头赛过当年的宗教考古学家寻找伊甸园。亚当
和夏娃的文物是一样也没发现,原初宇宙最重要 的遗迹 倒真给找出来了,这就是微波
背景辐射。 
  按照大爆炸理论,最初的几分钟里,宇宙是一个炽热的火球,到处充满温度高达几
十亿度的光 辐射。 由于此时的宇宙处于热动平衡中,这种辐射具有独特的光谱特征,
称为“黑体谱”。1965年,贝 尔电话 公司的两位物理学家彭齐亚斯和威尔逊偶然发现
,宇宙确实浸润在一种热辐射之中。这种辐射以 相同的 强度从空间各个方向射向地球
,其温度约为3K,谱线具有完美的黑体谱特征。微波背景辐射的发现,是对大爆炸模型
最有力的支持。 
  知道了今天宇宙背景辐射的温度,就很容易推算出,宇宙诞生后约1秒钟各处的温度
约为100亿 度。在 如此高温下,不仅我们熟悉的物质无法存在,连原子核也会被撕得粉
碎。宇宙只能是一锅由质 子、中子 和电子等构成的基本粒子汤。 
  随着这锅汤变冷,核反应发生了。中子和质子很容易聚合在一起,产生由两个质子
、两个中子 组成的 氦核。计算表明,氦核形成的过程持续了大约3分钟,形成的氦约占
宇宙物质总质量的四分之 一。这个 过程用完了所有的中子,余下的质子就成了氢原子
核。 
  因此,大爆炸模型预言宇宙应当由大约25%的氦和75%的氢组成,这与天文测量结
果极为符 合。最初 三分钟里形成的氢与氦,构成了宇宙中99%以上的物质。形成行星
和生命的丰富多彩的重元素, 只占宇 宙总质量的不到l%,它们大部分是在恒星内部形
成的。 
  根据推断,宇宙的形成距今约100~200亿年。
生命:既永恒又无恒 
  天文观测表明,各种天体的年龄均小于200亿年,这与大爆炸理论契合得非常好。我
们的地球 大概是50 亿年前形成的,人类出现的时间更短得不值一提。宇宙现在还算得
上年轻,担忧末日的来临,对 单个人 来说是十分无聊的事。然而,为全人类的命运想
一想这个问题,还是有必要的。 
  按照大爆炸模型,宇宙在诞生后不断膨胀,与此同时,物质间的万有引力对膨胀过
程进行牵 制。如果 宇宙的总质量大于某一特定数值,那么总有一天宇宙将在自身引力
的作用下收缩,造成与大爆炸相反的 “大坍塌”。如果宇宙总质量小于这一数值,则引
力不足以阻 古蛘 ,宇宙就将永远膨胀下去。 
  在非常遥远的将来,比如1亿亿亿年以后,所有的恒星都燃烧完毕, C 黑暗中,潜
伏着一些 黑洞、中 子星等天体。宇宙的尺度已经膨胀到如今的1亿亿倍,而且还在扩张
下去。在这个系统里,引力 虽不足 以使膨胀停止,但会不露声色地消耗着系统的能量
,使宇宙缓慢地走向衰亡。黑洞在霍金效应的 作用下 释放出微弱的辐射,最终全都以
热和光的形式蒸发掉。足够长的时间之后,连质子这样稳定的基 本粒子 也衰变、消亡
了,宇宙最终变成一锅稀得难以置信的汤,其中有光子、中微子,越来越少的电子 和正
电 子。所有这些粒子都在缓慢地运动,彼此越来越远,不会再有任何基本物理过程出现
。 
  这是寒冷、黑暗、荒凉而又空虚的宇宙,它已经走完了自己的历程,面对的是永恒
的生命,抑或永恒的死亡。这种情景,差不多就是“热寂”了。 
  如果引力足够强大,宇宙终有一天开始收缩,又将如何呢?在大尺度上,收缩过程
与大爆炸后 的膨胀 是对称的,像一场倒放的电影。收缩的过程起初很缓慢,随后越来
越快。在转折点过后,宇宙的 体积开 始缩小,背景辐射温度上升。漆黑寒冷的宇宙变
成一个越来越热的熔炉,生命无处可逃,全都被 煮熟烤焦。最后,行星、恒星也毁灭了
,分布在如今浩瀚空间中的物质被挤进一个很小的体积内,最后 三分钟 来临了。 
  温度变得如此之高,连原子核也被撕毁,宇宙又成了一锅基本粒子汤。然而这种状
态也只能生 存几秒钟的时间。随后,质子和中子也无法区分,挤成一堆由夸克构成的等
离子体。在最后的时刻,引 力成为 占绝对优势的作用力,它毫不留情地把物质和空间
碾得粉碎。在这场与大爆炸的“暴胀”相对的 “暴 缩”中,所有的物质都因挤压不复
存在,一切有形的东西,包括空间和时间本身,都被消灭。 
  这就是末日。它是一切事物的末日。大爆炸中诞生于无的宇宙,此刻也归于无。无
数亿年的 曰筒 烂,连一丝回忆也不会留下
qianxinhua
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sunmin30
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    我的分析是这样的,膨胀到一定时候,各种粒子之间的引力,使得相互之间按原来的膨胀的反方向开始收缩,开始的阶段是缓慢的,随后就是越来越快,经过差不过相当于膨胀所需要的时间周期后,又聚集收缩到一点,然后再次发生宇宙大爆炸,我推段并相信,宇宙大爆炸并非只有这一次,而是一种周期性的宇宙运动,跟哲学上的偶然性、必然性、生死交替、周而复始相呼应,其图像就像两个同频正弦波波峰对波峰、波谷连波谷。波谷连波谷时,就是聚集到一起,也就是整个宇宙只有一点的时候,波峰对波峰的时候,就是宇宙膨胀到最大范围的时候。其它时间都是在两者之间过渡,生存,在这两种状态之间产生天体万物,各种星群,星系,生物,包括人类,所以不必把宇宙看得过分悲伤,好像只有一次这样的机会给万物。我相信会循环。即使有整体灭亡的一天。再一次的膨胀,可能根本不会相同于上一次,就是各星系从数量、大小、形状、以至于在星球上衍生出的生物物种都会跟现在这一次不完全一样,当然这其中也包含有相同类别。这取决于膨胀过程中的每一细微差别,遵循所谓“马太效应”。可惜我们现在所有的一切人类文明,科学推断等信息资料,都不能保留并通过这个“波谷对波谷”这一时刻,无法让后世(爆炸过程后产生的高等智慧生灵)来接过我们今天的纪录、分析资料作比较。看来没有这种机会,只能是灵魂对灵魂了。
深海的海豚
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原文由 wujianwei 发表:
  简而言之,第二定律认为热量从热的地方流向冷的地方。对任何物理系统,这都是
众所周知并 且显而 易见的特性,毫无神秘之处:开水变凉,冰淇淋化成糖水。要想把
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之 宇宙中每个局部的嫡减少,都须以其它地方的增加为代价。 
  

请问一下里面的“嫡”会不会是“熵”?谢谢!
发哥
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这个物理知识的帖子非常好,在我们无法验证时只能一种“假说”。

人类对所有周围事物没有真正了解时都是从“假说”开始的,人类对宇宙的认识完全处在一种“盲人摸象”的阶段。呵呵......
happyjyl
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原文由 wujianwei 发表:
宇宙诞生之前,没有时间,没有空间,也没有物质和能量。大约150亿年前,在这四
大皆空的 “无” 中,一个体积无限小的点爆炸了。时空从这一刻开始,物质和能量也
由此产生,这就是宇宙创生的大爆炸。 


那在宇宙诞生的时候,容纳这体积无限小的点的又是什么呢?最初又是什么导致这一无限小的点爆炸呢?
百年树人
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