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宇宙简历表

时间:2020-09-15    点击: 次    来源:986文章网    作者:佚名 - 小 + 大

宇宙简历表
上面我们已介绍了大爆炸宇宙学的一些基本问题。这里我们按照这个模型的研究结果,给出宇宙的演化历程及各阶段的主要特征。
92.时空创生
人类还是容易理解时空创生这概念的。圣经的头一句话就是“上帝创造了世界”。我国古代《老子》一书中第一章就说:“无,名天地之始,有,名万物之母。”在四十二章中又说:“道生一、一生二、二生三、三生万物。”又说:“天下万物生于有,有生于无。”西汉《淮南子》对道家的宇宙演化作了更简单的概括:“有生于无,实出于虚。”在我国著名的《周易》中也有:“无极生太极,太极生两仪,两仪生四象,四象生八卦,八卦生万物。”这些都反映了我国古代思想家关于宇宙创生的思想,而且,共同点是认为宇宙的“有”乃产生于“无”!
我们已看到,整个现代宇宙学从宇宙膨胀的发现到暴胀宇宙的提出,构成了一个相当完备的体系。由于它的成功,这一套理论已被称为标准宇宙学,或俗称大爆炸宇宙学。也许读者也会问:大爆炸以前的宇宙是什么?宇宙是否有“一无所有”的时代?我们今天习惯的时间和空间及真空是怎么演化来的?这些问题提出对于大爆炸宇宙来说已不是一个单纯的哲学思辨,而是宇宙膨胀观测事实面临的科学现实。
由于哈勃定律的发现,一种最合理的解释是宇宙正在膨胀。那么今天的宇宙正是由一个较小的尺度范围发展来的,以致反推下去宇宙最初是起源于一个奇点的大爆炸。也就是说,宇宙是从一个原初的时空奇点开始的。所谓奇点,就是按经典物理学不能描述的物理状态。它就连时空性质也无法确定,通常物理学的其他量也就更没有意义了。按迄今的经典物理理论,奇点既不能告诉我们为甚么宇宙会有暴胀阶段发生,也不能告诉我们奇点怎么创生时间、空间和真空。
时间和空间究竟是怎么产生的?英国著名物理学家霍金提出了一个半经典的量子模型。
该理论的第一个要点是建立一种“没有时间”的物理理论。所谓没有时间,就是将爱因斯坦的四维闵柯夫斯基时空(即三维实坐标加上一维的虚坐标)改为四维欧氏空间(即四维实坐标)。他认为只有把这种空间中的理论结果进行延拓后,才可以定义时间坐标,即可以得到一个与有关时间测量相比较的坐标值。换句话说,他认为只有空间才是基本的物理量,而时间不是。时间只是一种观测表象。按照这种理论的一个必然结果是:在某些物理解中,延拓不出时间,此时表示,不可能用时间表象来描写,时间概念在这类情况下是不成立的。而从这类本质上非时间的情况过渡到可用时间表象的情况,就是时间的起源,也就是时间本身的从无到有。
霍金理论的第二个要点是寻找宇宙的“边界条件”。他认为,宇宙就是有,宇宙之外就是无!由此可推知:“宇宙是没有边界的”。这就是宇宙的边界条件。以此去构造出“宇宙波函数”。按照量子理论,一个体系的全部性质由它的波函数所确定。因此,整个宇宙的性质,应由宇宙波函数来描述。由于没有时间,因此,建立的波函数只能是“定态”波函数。基态波函数就是最重要的波函数,而它正是可由宇宙的边界条件确定的。有了宇宙波函数后,就可以利用它来研究时间的起源了。把宇宙波函数延拓到时间表象中,即可发现,只有在一定范围内才可能建立时间概念。而在可用和不可用时间概念的交接处,就是时间的起源点。
看起来这个理论是很优美动人的。但这中间有两个问题是不令人满意的:一个是人为地把时间和空间割裂开了。时间和空间本是一个对立统一的整体。没有空间的时间和没有时间的空间都是不美妙的。最美妙的图景是时间和空间的一起“创生”或“消失”。另一个缺陷是在时间创生后并不能自然地引出宇宙的暴胀过程。当然,暴胀过程的结束也不能自然地进入热胀阶段。宇宙的演化应该是一个自然的因果序列而不应该是一些偶然事件的拼凑组合。能否寻求一个统一的模式将宇宙的演化过程融于一体?这或许应该是对宇宙模型的基本要求!本书作者的研究表明利用芬斯勒时空结构的几何模式可能达到此目的。1976 年英国数学家齐曼,研究了“双尖点突变”的三种典型模式:x4+y4、x4-y4 和 x4+y4-8x2y2,其主要应用之一,是讨论经济学中的“通货膨胀”(inflation)的数学模型。有意思的是宇宙暴胀的这个“暴胀”恰好来自英语的“通货膨胀”(inflation)。研究表明宇宙的创生和暴胀以至热大爆炸和热膨胀均可能通过双尖点突变的模式加以几何描述。在微分几何中,由 ds4 定义度规的函数的空间称为芬斯勒空间。我们发现,适当定义一个芬斯勒时空,同样可建立一套相对论结构,这个新结构除了包含全部爱因斯坦相对论外,还允许超光速运动存在,并引出一些新的时空性质。这一点我们后面再介绍。
93.暴胀宇宙阶段
在宇宙的极早期,不能区分四种相互作用,只有一种统一的相互作用,就像是树枝的主干。随着宇宙的降温,相继发生以下相变:
(1)对应于超统一的真空相变,在 10-44 秒时发生。此时宇宙的相应能量为 1019GeV。相变的结果是使引力相互作用出现。这就是时空起源。
(2)对应于大统一的真空相变,在 10-36 秒时发生,此时宇宙相应的能量是 1015GeV。这就是宇宙不对称的起源。此后宇宙开始以指数方式膨胀。即开始了宇宙的暴胀过程。此时强相互作用出现。
(3)对应于弱电统一的真空相变,在 10-10 秒时发生,此时宇宙相应的能量为 100GeV。它就是弱电分离的相变。
每一次相变都降低了宇宙的对称性,使之在宇宙中区分出一种特有的相互作用。当今宇宙中的四种相互作用就是在宇宙的各次相变的演化过程中一一产生的。这些相变也导致了宇宙时空尺度的指数增长,形成宇宙的暴胀阶段。
发生相变的年代,取决于临界温度的大小。当今,只有弱电统一理论较为成熟,它的临界温度为 kTc≈100GeV。大统一理论目前尚有不少问题,但也有不少的成功,其临界温度是 kTc≈1015GeV。对于超统一或超引力目前还没有能与观测对照的理论,其临界温度仅是一个粗略的估计。
94.热胀宇宙阶段
在暴胀时期结束时,真空发生相变宇宙从对称过渡到不对称,它就是宇宙最早的不对称的起源。而相变中所放出的能量转变成辐射和粒子。而宇宙本身在继续膨涨,这个过程开始宇宙温度仍高达 1015 开。按照广义相对论的宇宙模型,当宇宙尺度足够小时,整个宇宙有一个以辐射为主的时期。但此时由于宇宙并不透明,辐射与物质仍是互相碰撞形成“一锅”宇宙“浓汤”。在这浓汤中由于某种尚不清楚的衰变过程使 CP 对称性受到破坏,粒子、反粒子的不对称形成;于是重子物质产生。此时宇宙的年龄尚不足一秒。
反粒子的存在是从量子力学原理和爱因斯坦狭义相对论原理用数学直接推导出来的结果。反电子的存在是在 1930 年由狄拉克从理论上首先指出的。为了不在其理论中引入一些未知粒子,狄拉克先想把正电子当为是质子。1932年正电子的发现,证实了反粒子的理论,并表明电子的反粒子不是质子,而质子有它自己的反粒子,本世纪 50 年代发现了反质子。
近代物理认为,每一种粒子都有其相应的反粒子,它们具有完全相同的质量和自旋,但却带相反的电荷。只有像光子那样的纯中性粒子是例外。可以认为,光子的反粒子是自己。按狄拉克理论,正、反粒子间应具有某种对称性。即宇宙中的正、反粒子应该同样多。这曾给宇宙学带来困难,一度人们希望能发现反物质星。但这种努力遭到失败。它表明我们的宇宙主要是由正物质组成的。理论分析表明,当今的正物质宇宙只要在宇宙早期有约 10-10 的不对称就足以形成。它要求重子数守恒的破坏,而这一点正是大统一理论所预言的。正是这种不对称性导致了宇宙热涨过程中,当粒子和反粒子湮灭之后,所剩下的东西就是宇宙中的重子物质。此后,开始了元素的合成。像恒星进入主序星的初期那样,进行质子到氦四的聚变反应。理论分析表明,这个反应的结果形成了宇宙中 20—30%的氦丰度。极微量的氘(原子量为 2 的氢,也称重氢)却限制了宇宙中重子物质的总量。按照目前的观测结果表明,宇宙的平均重子物质密度应远低于宇宙的临界物质密度,仅为它的十分之一。理论上说,这个时期的宇宙中产生了大量的中微子,随着宇宙的膨涨,它的温度亦随之降低,至今约为绝对温度 2 开。由于中微子探测的困难,至今仍无法观测到这种 2 开的宇宙中微子背景。如果有一天,人们观测到它,那将是宇宙极早期留下的遗迹!
当宇宙温度降到 105 开后,宇宙开始由辐射为主转为以物质为主的时期。由于物质逐渐与辐射脱耦(即逐渐减少相互作用),物质在引力作用下开始成团,即开始了宇宙的结构形成。直到宇宙温度降到 3000 开左右,宇宙开始变得完全透明,由于宇宙处于热平衡状态,一个以黑体辐射形式传播的宇宙背景辐射产生,它就是我们今天探测到的 3 开宇宙微波背景辐射。这是迄今人类观测到的宇宙的最早的“遗迹”。
95.物质复合时期
在宇宙温度降到 4000 开以后,处于等离子体状态的宇宙物质开始结合成原子。我们知道,河外天体的红移既标志了天体的距离,同时又反映了天体发光的时间。因此,也常常用红移来标志宇宙的年龄。物质的复合时期对应的红移就是 z≈1500。早于这个时期物质完全处于等离子体状态。
处于不同状态的物质,一个很重要的特征是扰动的传播速度,通常称为声速。在日常生活中,我们说话、唱歌等是人的声带引起空气的扰动,并以
340    米/秒的速度在空气中传播。这是我们熟悉的声速。我想大多数读者一定知道,在不同的物质中,声音的传播速度是不一样的。在极高温的物质中,扰动的传播虽然不能“听”到,但这类扰动的传播本质上和声波是一样的,因此扰动的传播速度仍称为声速。当扰动速度低于声速时,扰动在介质中正常传播,而当扰动速度高于声速时就会出现微波现象。理论分析表明声速在宇宙膨胀的早期阶段近似等于光速。
在宇宙中物质复合前、后物态发生了巨大变化,因此声速也发生了很大的变化。下面的讨论将指出,这为原来整体处于均匀的宇宙中形成物质的非均匀分布造成了很好的条件。这些物质的非均匀分布就是宇宙大尺度结构和星系形成的“胚胎”。
96.星系形成时期
宇宙中的最重要的问题之一就是均匀膨胀介质的宇宙中,如何形成现在观测到的各种结构的问题。早在 1692 年牛顿就指出,均匀物质在粒子相互引力作用下最后必然聚集成一个巨大的团块或者聚集成为数众多的独立团块。 1901 年,金斯提出了一个理论,称为引力不稳定性理论。金斯提出一个临界长度,它是由介质的密度和介质中的声速所决定的,称为金斯长度。按流体力学方程可以推出,如果一个密度扰动(即密度不均匀的起伏),其尺度小于金斯尺度,那么,扰动将像声波一样在介质中转播,从而很快被衰减。反之,当扰动尺度大于金斯尺度,扰动就将按指数规律增长。1940 年,前苏联的物理学家李弗西兹把金斯的理论推广到弗里德曼的膨胀宇宙中。在膨胀宇宙中,决定宇宙结构生成的有三个基本尺度:视界尺度,它是光速与宇宙年龄的乘积;金斯尺度,它是由宇宙物质状态决定的声速与宇宙年龄的乘积;阻尼尺度,它是由破坏物质成团的各种因素所决定的特征尺度。为了分析方便,人们常把这些特征尺度转换成特征质量。这是把相应的特征尺度视为一个球的半径,以相应球的体积乘以宇宙的平均物质密度得到的质量作为特征质量。显然,这三个特征质量都是随宇宙的演化而演化的。一般情况下,小于金斯质量的扰动被逐渐衰减了。但在宇宙复合前夕的扰动,它们还没来得及被衰减,由于宇宙复合,金斯质量突然下降;以至那些原来小于金斯质量的扰动都变得大于金斯质量,因而,这些扰动得以迅速增长,使原来均匀的宇宙划分为按金斯质量表征的大量的物质团块。它们就是星系的胚胎。天文学家有时也称为星系的“芽”。
在估计星系的质量时,发现金斯质量和星系质量相差甚远。为了使金斯理论与观测到的星系质量一致,人们利用阻尼质量来估算星系质量。但它只能由一些特殊假设得到星系质量的下限,而整个星系质量的分布仍得不到合理解释。本书作者曾发表文章指出,金斯尺度实际上是一个“单向膜”,由于引力的作用,它限制了金斯半径以内的物质向外离散,但它并不能阻止一些物质粒子继续向金斯半径内继续“下落”。因此,星系的真实质量应该是从金斯半径到视界的某种积分。这样,便可由“奇点”的不同性质得到星系的质量分布的范围。理论计算结果与观测就符合得很好了。
关于暗物质对于宇宙物质成团的影响我们在暗物质的介绍中以提及,这里不再重复。理论上处理双成分物质的金斯波长可以用各成分单独的波长的平方倒数的和作为复合金斯波长平方的倒数。
星系、星系团和星系团形成时期分别对应于红移 z≈ 97.恒星形成时期
星系形成的初期仍是一个较均匀的物质团。但其密度比起宇宙的平均物质密度来得大。因此,当星系内发生引力不稳定变化时,金斯尺度自然较之宇宙中扰动时的尺度为小。扰动的结果就形成了星团或恒星。恒星的形成本质上已不再具有宇宙学意义,它只是个别星系内部的局部问题。但人们仍相信,不同星系中恒星的形成和演化规律是相似的。这由赫罗图和超新星爆发的观测可以证明。
按我们已介绍的恒星演化理论可推想,在一个星系中首批形成的第一代恒星更接近星系中心,质量大的恒星演化更快,并产生超新星爆发,演化过程中产生的重元素重新散布在星系中。第二代恒星形成有两个特点:其一是由于星系的旋转使离散物质更偏离星系中心,并较集中于星系中心的旋转平面上;其二是重元素增加(我们已经知道重元素是在恒星演化过程中才产生的)。因此第二代恒星平均说来比第一代恒星为快。以后的恒星则更远离星系中心且更接近星系中心的旋转平面,形成类似于银河系的“年轮”。
经过数代恒星的形成和超新星爆发,使星系中的介质有了足够多的重元素,才可能形成水及高分子化合物甚至有机物,为宇宙中形成生命和人类创造了物质基础。
98.人类形成时期
人类的形成本质上已不是天文学的问题。但作为宇宙演化的一部分,它又与宇宙的整体环境密切相关,因此,我们也把它作为宇宙演化的一个阶段。它更着眼于宇宙中适于生命演化的环境的形成。后面我们介绍的“人择原理”将详细介绍“人”和宇宙的演化的关系。
人择原理的基本思想是:宇宙之所以是这样,是因为如果不是这样就不可能产生人类,也就不可能有人来研究宇宙。更不可能有你今天来读这本《宇宙天体交响曲》这本小书。简言之,一切事情之所以如此,就是因为现在有人存在。这大概就是我国古代的“天人合一”的哲学思想的一种很好的应用。

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