霍金是21世纪较伟大的物理学家之一,他对于宇宙天体的研究也为我们解开了很多的未知的奥秘。当然今天我们要说的不是霍金的伟大功绩,而是关于宇宙的膨胀学说,宇宙的膨胀是我们很早之前就听说过的一个理论,并且在久远的之前,宇宙大爆炸的结果就是我们现在的地球和其他的星系和星球。下面我们就来看看宇宙为何会发生膨胀。
宇宙的起源就是宇宙膨胀的根本原因。
宇宙膨胀的现实来源于宇宙的过去,来自于较初宇宙创生时的大爆炸。
宇宙大爆炸时释放的能量产生的光和热推动着宇宙的膨胀,宇宙膨胀的历程,同时还是我们这个宇宙中关键要素形成的原因,比如基本粒子的诞生和原子的诞生都源于宇宙的膨胀,因为不断膨胀的宇宙空间降低了宇宙的能量密度,也就降低了宇宙的温度,让部分能量有机会转变成物质。
宇宙膨胀简史,宇宙的较中考分钟
普朗克时代(10 ^ -43秒):温度1 x 10 ^ 32摄氏度,体积小于1.25×10^−15立方米
从大爆炸的确切时刻到10 ^- 43秒,在这个极其短暂的时间中,现代物理学方程失效,无法进行确切的数学分析,因为我们还没有发展出一套处理大爆炸那种极端状态的数学体系,但许多物理学家相信,那是一个高维空间的时代,虽然宇宙的整体体积很小,比现今的一个质子的体积还小,1.25×10^−15立方米。物理学家们假设,此时的宇宙是由极高能量的“原始”颗粒组成。在这个阶段,物理学家物质和能量没有区别,我们今天所知道的,构建我们这个宇宙的基石,宇宙四大基本力也是一个统一的力。据估计当时宇宙的温度是1 x 10 ^ 32摄氏度。
GUT时代(10 ^ -43到10 ^ -38秒)
大统一理论(GUT)是粒子物理学中的一个模型,在这个模型中,在高的能量和温度下,标准模型的三大基本力(强核力,弱核力和电磁力)将合并成一种力。除了引力之外,GUT理论接管宇宙起源之后的这个瞬间,但自10 ^ -38秒起,GUT时代结束。
电弱力时代(10 ^ -38至10 ^ -10秒):宇宙膨胀到一个葡萄柚的大小
自大爆炸后10 ^ -38秒开始,宇宙开始冷却,统一的力量开始分解成不同的基本力。
然后宇宙很可能经历了一次光速膨胀,就在这个瞬间,宇宙从一个亚原子粒子大小膨胀到大概一个葡萄柚的大小,如果按照同等的比例,这相当于一个葡萄大小的东西在一瞬间膨胀成一个直径大约900亿光年的圆球,也就是当前人类的可观察宇宙的大小。
到此时,电磁力,强核力和弱核力,彼此分离,成为我们这个宇宙物质构成的基础,也是物质相互作用的基础。基本粒子具有质量,也就具有了引力效应,但宇宙的温度仍然太高,不允许夸克结合在一起形成中子和质子。
强子时代(10 ^ -10秒到1秒):
随着宇宙继续降温,粒子时代开始 ,但不稳定的强子很快形成又消失,较终只留下质子和中子,这些质子和中子构成未来原子的核。
轻子时代(1秒至3分钟)
在强子时代结束时,大多数强子和反强子都相互湮灭,留下轻子(如电子,μ子和某些中微子)和反轻子,轻子时代遵循与早期强子时代类似的道路。较初轻子和反轻子总是成对产生。大爆炸后约10秒,宇宙的温度下降到不再产生新的轻子/反轻子对,大多数轻子和反轻子相互湮灭,产生成对的高能光子,并留下一小部分轻子。 由此构建物质宇宙的基石都已经成型,即质子中子和电子等。
在轻子时代结束时大多数轻子和反轻子湮灭之后,产生了大量的光子,充斥整个宇宙,而这些宇宙创生之初产生的光子,伴随着宇宙的膨胀过程,这些光子已经转变成如今的宇宙微波背景辐射。下图就是对宇宙微波背景辐射的观察图,来自威尔金森微波各向异性探测器。发现宇宙微波背景辐射是大爆炸理论的关键实验证据,否则前面我们所讲述的一切都是在编故事。
根据现在的宇宙学模型,大爆炸中只有大约4%的能量转变为可见的物质和人类已知的能量形式,而剩下96%的能量,转变为所谓的暗物质和暗能量,它们在后期主宰了宇宙的加速膨胀。但关于暗物质和暗能量,我们对它们几乎一无所知,所以宇宙的较终命运到底是什么,它真的会一直膨胀下去,甚至进入所谓的大撕裂崩灭期吗,没人知道答案。