【宇宙史系列】通俗、生动、形象地科普一下宇宙大爆炸过程

白云蓝天
楼主 (文学城)

 

       大约在138亿年前,宇宙以“大爆炸”的方式诞生了。

       宇宙大爆炸之前,所有的物质与能量全部被挤压在无限小的一点上,称为“奇点”。奇点体积无限小、密度无限大、温度无限高。由于内部某种不可知的效应或机制的作用,突然在某一瞬间,几乎无限小的奇点在几乎无限短的时间内以几乎无限快的速度把物质与能量全部释放出来轰向了几乎无限大的虚空。

       奇点的体积有多小、密度有多大、温度有多高呢?奇点的爆炸又有多迅猛,而爆炸之后所形成的空间又有多大呢?我们不妨来看一看奇点爆炸过程中所产生的一些数据。

       其实奇点体积之小、密度之大与温度之高都是不可知的,科学家只能大致推算出奇点爆炸之后的最早一刹那(一个普朗克时间之内)以及之后的宇宙体积、密度与温度。在奇点爆炸之后的一个普朗克时间之内,由于一切现今的物理定律都失效,所以科学家们无法通过物理定律哪怕最粗略地推算出这段时间之内的宇宙的体积、密度与温度。

       什么是普朗克时间呢?普朗克时间是由德国物理学家马克斯·普朗克于1900年提出的,是光波在真空中传播一个普朗克长度的距离所需的时间。一个普朗克长度约为10-35米(一千亿亿亿亿分之一米),一个普朗克时间约为10-43秒(一千亿亿亿亿亿分之一秒)。夸克是目前已知的构成物质的最小单位,而普朗克时间和普朗克长度则是能量的最小计算单位。这种把能量分为不可再分割的计算单位,后被命名为“量子”。普朗克“量子”的提出标志着量子力学的诞生。

 

       尽管半径具有一个普朗克长度的宇宙是如此之小(10-35米,即一千亿亿亿亿分之一米),但仍然要比奇点大几乎无数倍,可知奇点是多么难以想象的小。这时,即在奇点爆炸之后的10-43秒(一千亿亿亿亿亿分之一秒),宇宙的温度高达1032度(一亿亿亿亿度),而密度每立方厘米超过10-94克,也就是说1立方厘米的重量就超过一亿亿亿亿亿亿亿亿亿亿亿吨!半径具有一个普朗克长度的宇宙的密度虽然如此之高,但其所包含的物质相比现今宇宙的物质总量,仍然少得几乎可以忽略不计。宇宙的物质是在宇宙大爆炸的过程中通过能量-质量的转化不断地被创造出来的,随着宇宙体积的暴胀以及宇宙温度的不断下降。

       在奇点爆炸之后的10-36秒(一万亿亿亿亿分之一秒),宇宙的温度降到1028度(一万亿亿亿度),产生了物质构成的最小单位夸克、反夸克以及与夸克体积相差不大的其他粒子。这之后,也许由于无数的夸克以及其他粒子的产生,宇宙的体积在10-33秒(十亿亿亿亿分之一秒)如此短的时间内经历了100次加倍(2100),暴胀了1030倍(一百万亿亿亿倍)。总计这段时间宇宙体积的膨胀,这时的宇宙比半径为普朗克长度的宇宙又增大了几乎无数倍。请想象一下,夸克的直径为10-18米(一百亿亿分之一米),所以1个夸克的体积就比半径为普朗克长度的宇宙大几乎1017×3倍(一千亿亿亿亿亿亿倍),无数的夸克加上其他粒子,这时的宇宙该比半径为普朗克长度的宇宙大多少倍啊。在这段时间,粒子-反粒子对不断地被创造出来并快速地相互湮灭。

       在奇点爆炸之后的10-10秒(一百亿分之一秒),宇宙的温度降到1015度(一千万亿度),这时夸克与反夸克创造与凐灭的过程已经完成。由于几千万到几亿个夸克中会多出来一个正夸克,这些多出来的正夸克于是就在这段时间里形成了质子与中子,构成了现在宇宙中的所有物质。这并不等于说那时宇宙中的夸克比现在宇宙中的夸克多几千万到几亿倍,因为它们不是在同一时间里一起被创造出来然后相互凐灭的,而是经过了一个无数次的产生并凐灭的过程。

       在奇点爆炸之后的1秒,宇宙的温度降到1010度(一百亿度),这是氢弹爆炸时所能达到的温度。这时质子和中子被强力束缚在一起形成了原子核,宇宙的密度降到每立方厘米107克,也就是说1立方厘米的重量为10吨,一千万倍于太阳、十倍于白矮星的密度,所以那时的宇宙相等于一颗直径大约为一百五十万光年(一千五百亿亿公里)的高致密白矮星,其直径是银河系的直径的十五倍。由于空中(原子核之间的广阔空间)充满了光子,整个宇宙的“天空”亮得无比耀眼,所以这时的宇宙是不透明的——黑暗能遮蔽一切,光明也照样能遮蔽一切。

       在奇点爆炸之后的30万年,宇宙的温度降到3000度左右,这时原子核和电子被电磁力束缚在一起形成了原子。由于大量光子进入原子,光辐射大幅度减少,同时宇宙空间也大幅度得到扩展,所以宇宙开始透明了,而宇宙的主要成分为气态物质。

       在奇点爆炸之后的10亿年,宇宙的温度降到20K(开尔文温度),即摄氏零下253度,气态物质形成恒星和原始星系。

       在奇点爆炸138亿年之后的今天,宇宙的温度降到2.8K(开尔文温度),即摄氏零下270度以下(绝对零度为摄氏零下273.15度,即开尔文零度),宇宙的密度降到每立方厘米10-31克,即每10立方米的空间只有0.6个质子或氢原子,这就相等于体积为10000个地球的物质只有1克重!地球上实验室制造的真空的密度也比现在的宇宙的密度大何止千万倍。如果把宇宙中所有物质以原子形态平均分布在宇宙中,那么整个宇宙看上去就象是一无所有,象是绝对真空。那么现在的宇宙到底有多大呢?

       宇宙是138亿年前诞生的,所以人类最远只能接收到距离地球138亿光年的星体发来的光,也就是照理说,人类只能最远观察到距离地球138亿光年的星体。但由于宇宙自大爆炸以来一直在不断地膨胀之中,所以科学家们根据计算,138亿年前距离地球138亿光年的星体目前实际上已经距离地球465亿光年了,如此可观察宇宙的直径应是930亿光年。但这930亿光年的直径绝不是宇宙大爆炸所产生的宇宙的实际尺度。根据美国麻省理工学院物理学家阿兰·固斯的宇宙膨胀定律,现在的宇宙比可观察宇宙大150×1021倍(一千五百万亿亿倍),直径大约是可观察宇宙的五千万倍!这是一个什么样的概念呢?如果我们把银河系的直径缩小为1厘米,那么可观察宇宙的直径为10公里;我们再把可观察宇宙的直径缩小为1厘米,那么实际宇宙的直径为500公里!再做个更直观的比喻,如果我们把可观察宇宙缩小为一个乒乓球大小,那么实际宇宙大致相当于冥王星大小(直径为2376.6公里)。

 

       宇宙大爆炸是如此之神奇与不可思议,而宇宙大爆炸之前看上去又会是什么样子的呢?那是一片虚空,除了那个体积无限小的奇点之外。但奇点并不发光,所以这片虚空是一团漆黑。奇点爆炸时,并不象一般图片所显示的一样发出火光般的红黄色的光,而应是象氢弹刚爆炸时一样发出无比耀眼的白光,并将一直持续几十万年。随着时间的延续与宇宙的不断膨胀,这白光的耀眼度也逐渐降低,然后渐渐变淡、变暗直至犹如大爆炸之前一样漆黑一片,尽管宇宙空间中弥漫着无数的原始星云。直到星云凝聚成恒星时,在靠近恒星的宇宙空间才有了亮光,而在离恒星足够远的地方也仍是漆黑一片,看不到些许星光,就象现在的宇宙一样。

       宇宙大爆炸之前的“虚空”又是什么一个概念呢?所谓虚空,就是不存在空间与时间,也不存在任何物质与能量,是一种没有时空因素的绝对真空状态。之所以说虚空不存在空间与时间,是因为空间与时间必须有物质作为参照物。没有物质的“空间”与“时间”是没有任何意义的,因为没有参照物可以去衡量某个“空间”的大小或某个“时间”的长短。空间与时间都产生于宇宙大爆炸时的一刹那。

       最后值得一提的是,“宇宙大爆炸”这个中文名称其实并不准确,具有一定的误导性。由于“宇宙大爆炸”已经成了一种固定的说法,本贴也不得不沿用。“大爆炸”一词或许能较好地形容宇宙诞生时的迅猛,但与宇宙诞生时的形态有很大的差异,跟炸弹爆炸、超新星爆炸什么的看上去非常之不同。“宇宙大爆炸”实际上是一种空间的极速膨胀、极速暴胀。任何爆炸物被炸开时,邻近的碎片相互之间几乎始终保持大致一样的距离,而不断膨胀的宇宙,其中相邻的物质会越离越远,而相距越远的物质会随着其距离而递增其相隔的距离。我们不妨用一个表面有着等距离的点状图案的气球作说明:当相邻的两个斑点之间的距离增加一倍时,较远的第二斑点的距离就会增加两倍,而更远的第三点的距离就会增加三倍,第四点就会增加四倍……依次递增。

膨胀中的球体

 

最接近太阳的人
中文的宇宙和UNIVERSE好象也不等同?
最接近太阳的人
UNIVERSE外面是什么?
白云蓝天
Universe的含义比较泛,也可指哲学意义的宇宙,即无始无终、无边无际的,而Cosmos则专指大爆炸产生的物理学宇宙。
白云蓝天
Universe也应该指哲学意义上的无始无终无边无际的宇宙,包含了无数个cosmoses,即物理学宇宙。
通州河
非常难以理解,这是哲学问题。比如多问一句“奇点”是怎么产生的呢,
白云蓝天
本贴所说的宇宙大爆炸属于物理学问题。奇点是前一代宇宙坍缩而成的。
最接近太阳的人
宇宙这东西不能多想,多想了会怀疑人生的.
白镜天
坦率地说,这方面的文章我一篇都没看过。不过在我看来,宇宙起源的大爆炸理论只是个唯像模型,盲人摸象而已,根本算不上理论。
白镜天
爱因斯坦将时空一体化的四维空间、和由此发现的狭义相对论,是物理学的巨大发展。宇宙起源的研究也许存在于更高维度。
白镜天
面对宇宙起源,当代人类只是个正在吃奶的婴儿。不可能有实质性的发现。但瞎子摸象总会给人们带来许多遐想。
最接近太阳的人
很有可能.
最接近太阳的人
文明最终会终结,很悲哀的事情.
c
chufang
人类历史,在整个宇宙中犹如夜晚萤火虫屁股上偶尔那么一点闪亮而已。
飯盛男
光速不变原理、為哈光速不变、真相是什末
通州河
上次我听电台物理学家在讨论一个问题,一个人站在山上用闪光灯照不同方向,不同方向上的光速

有可能不一样的,

有人认为在某一方向上,光速是最快的

白镜天
“光速不变”不是原理,是个假设。狭义相对论的基本假设。
飯盛男
在光速的戦闘機上発射個光速導弾、結果、超出想像
飯盛男
現在好像通過粒子加速機有所証明
白云蓝天
本人不太相信有四维以上的空间,宇宙大爆炸的理论有很多科学依据,而四维以上空间纯粹还属于臆想、妄测。
白云蓝天
宇宙大爆炸的证据还是很靠谱的,有好几个方面过得硬的证据。
白云蓝天
在空气中也许受到某种干扰,在真空中光速是恒定的。水中的光速只有真空中的3/4,在太阳内部光速低于每年1公里。
i
ich
我很惊讶,你还相信科学。我还以为你人毛泽东为真神
白云蓝天
1862年测得光速为29800公里,1972年得到了真空中光速的最佳数值:299792457.4±0.1 m/s。
白云蓝天
毛泽东不是神,但属于神一般的人物,做到了很多 人所做不到的事。本人最相信科学、最具有逻辑性,前面评语就得之于此。
硅谷码工头
上帝挥了一下手而已
h
hkzs
本质上是对现有数学模型外推的结果。

不见得是真实的。

可是,什么是真实呢?

 

白云蓝天
具体数据是推算出来的,但都建立在实际观察所得到的可靠依据的基础之上。
白云蓝天
其中大爆炸1秒时的宇宙直径是本人根据以下几个数据计算出来的:当时宇宙的密度、可观察宇宙的总质量、实际宇宙的规模等等。
久经沙场的枪
不存在一个无限的空间等待大爆炸来占领,这点很关键
大西洋里来的人
宇宙爆炸不能想象是一个空房子中间一个手雷炸开,然后扩张到整个房子。
大西洋里来的人
而是大爆炸前是物理意义的时空不存在,没有大房子。大爆炸后产生时空,时空本身在扩张,产生膨胀的宇宙
通州河
以我有限的知识,我觉得奇点这一概念也是按照数学推导出的边界条件而得,是一种理论假设,不一定是事实
c
chufang
如果是个速度30000公里光源各个方向的光速该怎么算?
白云蓝天
大爆炸前不存在时空,但存在虚空。没有虚空,大爆炸后的宇宙没有容身之地,或者说会与很多已经存在的其他宇宙相撞。
白云蓝天
哲学意义的宇宙是无边无际无始无终的,其中包含了无数物理学宇宙,物理学宇宙坍缩成奇点时留下一片虚空。
白云蓝天
很多真理性的东西都是靠理论推导出来,不可能全部是通过实验获得。再说黑洞也有奇点,也是靠理论与观察推导出来。