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第2章

宇宙是从大爆炸中诞生的吗 (上) 何香涛-第2章


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,一蹦就蹦出来了。你这个宇宙是我们所有的星球的居住地,就是包罗万象才叫宇宙了。怎么会这么一爆炸就爆炸出宇宙来,所以我必须回答你,就是说这个宇宙究竟是怎样一步一步来的。

    那么最近我们国内流行一本书叫做《时间简史》,是由英国的一个物理学家和天文学家霍金写的,就描述了宇宙的演化,大家很感兴趣,实际上在他之前还有一本书也不错,叫做《最初三分钟》。那本书就是专门写我们这个宇宙最初的状态怎么来的,这个最初的状态听起来,那就有点更离奇,它物理的味道就更重。所以呢,大家得要好好听,要不然你就不可以理解,那么我也尽我最大的努力把这个事情给大家讲清楚。

    那么最初怎么来的呢?我们说最初这个宇宙通过膨胀以后慢慢来产生,但是这个诞生的时间是非常非常快,有多快呢?三分钟造就一个宇宙,你信不信呢?我们来看一看三分钟就给你造就一个宇宙,那么宇宙最初始的时候,宇宙的年龄是多大呢?0。01秒。这时候的温度是多少度呢?是十的十一次方度,也就是说一千亿度。这个宇宙是个什么状态,我说这个宇宙是一团混沌。这团混沌是什么样子的,我有一个动画片可以给大家看一下,这就是我们那个宇宙最初的情况,那这宇宙是什么?这一团混沌就是比我们现在知道的这些个电子也好、中子也好、质子也好、原子也好,更基本的粒子,或者说这是一堆叫做夸克。所以有种说法,在最初的时候就是一个夸克星,就是一个夸克的海洋,就是一团混沌,什么都不是,都是造就物质的基本原料的温度是非常非常高,一千亿度,那么在这么高的温度下,这堆东西不可能产生任何东西,因为大家都是平权的,在里边就是自己在那儿漫游。那么这堆东西有一个特点,什么特点呢?它在不断地扩张,也是必然要扩张,为什么呢?温度很高,它一扩张的时候这个温度就降低了。那么我们看一下由0。01秒扩张到1秒,也就是1秒钟的工夫就膨胀了。膨胀了以后,它这个温度降到了十的十次方,一百亿度。这时候就出现电子、中子和质子,为什么呢?因为这时候温度降低以后,它里边的一些反应,就使得一些光子慢慢通过反应过程,光子就会变成电子,然后再可以聚合成中子和质子,这是温度降低以后。

    如果我们的温度再降低降到3分钟,这时候的温度差不多十的九次方,也就是10亿度的样子。在这个温度下,这个宇宙出现一些轻的元素,什么元素呢?氢和氦。我们来看一下,由于温度降低,原初的这些东西就开始有一个聚合反应。你看一下,它们就聚合聚合,出现了一些什么呢?氢、氦这些元素就产生了。有了这个元素以后,就等于我们盖大楼一样,就有了基本的砖瓦了。这就是我们宇宙最主要的原材料,只要是有了氢再加上氦,我们这个宇宙就可以造起来了。我们这个宇宙由于温度在不断地降低,就造就了氢和氦。那么再稍微确切一点,到了3分45秒我们基本的元素就都造成了。换句话说,我们这个宇宙的雏形就产生了。因此我们说宇宙是最初三分钟,如果再说的确切一点,最初的3分45秒钟,我们这个宇宙的大厦就基本上奠基了,就可以了。你们想想我们宇宙造的怎么样?速度是够快的。你们学校里边要是盖一座大楼的话还得盖一年,我们宇宙三分钟宇宙的基石就奠起来了,剩下的工作就好办了,怎么叫好办了呢?因为我们宇宙中的基本原材料有了,氢也有了,氦也有了。以后我们就拿这些氢和氦再去造星球,慢慢我们的宇宙就一步一步就把它造起来了。

    问:何老师您好,我想问一下,你说这个宇宙现在是在膨胀吗?我想问一下它到底是什么作用力使它在膨胀呢?

    答:宇宙的膨胀呢,现在是一个事实,这个事实是什么原因呢,就是的的确确我们宇宙因为当初在不断地膨胀,现在没有力量把它拉住,拉不住。所以宇宙就不断地在膨胀下去,这是一个观测事实,那么这个宇宙会不会永远膨胀下去呢?现在我们知道拉住宇宙膨胀的惟一的力量还是靠引力,因此要想把宇宙不让它继续膨胀下去,把它拉住,那就只有增加宇宙中的引力。那这就是天文学家的一个任务,我们想法找到宇宙中更多的物质,增加了宇宙的相互吸引力,那它就会慢慢的膨胀一段时间以后就会收缩回来,现在我们还找不到其他的力来制止宇宙来膨胀,只有靠引力。

    问:老师我想问一下宇宙的年龄是通过什么方法测量出来的?

    答:这个问题问的很好,你怎么知道宇宙的年龄是一百五十亿年呢?我们有几种测量方法,其中一个方法呢,就是根据哈勃定律。我们说宇宙是在膨胀,而且这个膨胀的规律非常简单,就是一个线性的,距离越远膨胀速度越大,非常简单的一个线性关系。那么你这个膨胀的斜率,也就是哈勃常数,我把它倒过来,就是哈勃常数的倒数,正好就是宇宙从最初的一点膨胀到现在的时间。那么这个年龄呢,我们就管它叫做哈勃年龄,这是一个很重要的。用到现在, 那么哈勃常数也是越小的话,那就说这个年龄经历的越长。那哈勃常数就越大呢,这个年龄呢,这个年龄就越大,那么哈勃常数越大呢。这个年龄就越小,为什么呢?很简单,因为膨胀到现在了,你膨胀的速率慢,也就是哈勃常数小,膨胀到现在需要的时间呢就越长。所以天文学家一个很重要的任务,要想测量准宇宙的年龄,你就要把这个哈勃定律里边的哈勃常数来测准。我们放哈勃空间望远镜,很重要的理由就想把哈勃常数测准。那么现在测量的结果呢,这个哈勃常数还不是特别的小,所以我们宇宙的年龄也不是特别的大。大约是一百五十亿年,另外一个我们可以算一算,在宇宙中,一些星球的年龄,特别是我们可以算一算星团的年龄。就这个星团的年龄,就是好多星球组成在一起的我们叫做星团,我们把这个星团的年龄算一下,因为这个星团正好是从非常年轻的恒星,还有非常老的恒星,那么有刚生成的,还有很老的恒星。那么这一个星团的年龄我们是可以测出来的,我们通过它这个在一个图上的一个反应,我们可以测出来它年龄是一百多亿年。除此之外我们还有更直接的方法来测,怎么叫更直接的方法呢?就是通过同位素来测量,比方我们测量地球上边的铀的同位素,通过铀位素衰变的周期来测量地球的年龄。我们测量出来地球的年龄是四十多亿年,此外我们还可以从宇宙飞来的陨石里边测量它上边同位素的含量,也可以确定年龄。总之通过所有的这些因素我们加在一起,就估算出来这个宇宙的年龄不超过二百亿年,那么大家现在倾向于说一百五十亿年。

    问:我想请问老师一下,因为宇宙它在0。01秒刚开始的年龄的时候,它所处的空间宇宙外部空间是一个什么样的状态?

    答:这个问题问的也很好,那么宇宙在0。1秒钟的时候,或者在0。01秒的时候,宇宙空间非常非常小,那么小到多小呢?小到你想像它有多小就有多小,绝对比你想像的还要小。你把它想像的像一个米粒那么大,那么我这个宇宙比那个米粒小多了。大家经常在问这个问题,那么这个米粒外头是什么?我们不知道,因为我们就生活在我们这个宇宙里边,我们只知道我们这个宇宙,宇宙以外的事情我们不知道。很可能宇宙外边还有一个宇宙,那个宇宙是另外一个独立的宇宙。可惜目前我们这个宇宙和宇宙还没有连通,不要说宇宙和宇宙没有连通了,我们宇宙内部的星球之间都还没有沟通。所以宇宙外头的事情我们是一概不知,如果你要想知道的话,只能从理论上推测。那么还有一种说法就认为,我们这个宇宙看上去就是一个大黑洞,那外边这个宇宙呢,也是一个大黑洞。所以都是黑洞和黑洞,老死不相往来,谁也不知道谁。但是我们这个宇宙呢,就是从这么小的空间不断不断地膨胀,就是我们现在的就是我们现在的宇宙状态。

    问:老师我想问一下,现在科学家能不能确定地球在宇宙空间中的位置?

    答:这个很容易,现在天文学家把地球在宇宙空间的位置确定的非常的精确,精确到什么程度呢?大家从历史上来说,以为老子天下第一。就这个地球,地球就是中心,大家知道后来有一位哥白尼,就把我们的地球搬了搬家,地球不是中心。谁是中心呢?太阳是中心,那么天文家后来再一发现,对不起,太阳也不是中心。太阳也不过就是我们的银河系里非常普通的星球,离银河系的中心大概是五万光年,所我们就想,地球从宇宙的角度来看实在是太渺小了。

    问:老师我想问一个问题,就是在一开始的时候,您提出了一个熵的概念,而根据熵增原理,熵越大这个体系就越稳定。而对于咱们这个宇宙,如果是处在一个熵增的过程当中,它会不会发展到最后就成所有的星球都发展成碎片?而如果以这样的说法看来,那它不就又回到了最初混沌的状态了吗?还有一个问题就是说现在宇宙的边缘的温度大概是2。7K。您又说,它会处在一个继续降温的过程当中,而降到一个温度之后,它又会有可能收缩,任何一个体系它都有趋向自我稳定的一个趋势,如果是这样的话,那它是不是有一个相对稳定的温度?

    答:这个问题问的比较好,也比较深入,我们说现在从热力学的原理来讲,的确熵是增加了。这个增加这样,就因为呢,这个状态总是从有序到无序,这个熵的概念看起来很神秘,实际上在很多方面都可以用到熵,我可以给你引申一下,比方说我们可以用熵的概念描绘我们一个城市。我们城市来讲的话,一开始总是熵比较小,所谓熵比较小,就是我们城市供应的都是食品等等都是非常有序的。经过我们城市消化了以后等等,都变成垃圾了。那熵怎么样?就增加了,那你要想这个城市维持得好,就需要在这城市里边注入负熵,也就是让它更有序化。这样的话不使得这个城市越来越混乱,都变成垃圾了,这就是熵的一个基本的概念。我们的宇宙也是这样,目前的宇宙的的确确是处在熵增加的状态,熵在不断地增加。但是我说了,可能增加到一定程度以后,会由无序又逐渐的走向有序,也就是说它可能又凝聚。凝聚以后原来小的一些星球都可能凝聚成更大的星球,使得更有序,那熵就减小了,这种可能是存在的。

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