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宇宙是如何被点亮的

《宇宙的背面》这本书把宇宙朴素和宽容的一面展现给你,同时也让你感受到宇宙深刻无私的内涵。阅读这本书,你会和宇宙成为朋友。正因为你来自宇宙,因而尽管你只是一个普通人,却也有了悠久的历史。本节为大家介绍宇宙是如何被点亮的。

作者:陈冰来源:电子工业出版社|2018-02-28 11:18

宇宙是如何被点亮的

为什么金银首饰那么贵?因为宇宙为了生产它,曾经报废过无数颗巨大的恒星。

星系的产生

要追溯一个事物的产生,毫无疑问要从它产生前开始。为了搞清楚星系的产生,我们干脆从宇宙的诞生开始,这肯定是位于星系诞生之前了。那有人会说为什么不再远点,从宇宙诞生之前开始呢?我们知道宇宙诞生于大爆炸(尽管没有目击者,但各种证据表明这是目前最合理的解释),整个宇宙是从一个密度无限大、能量无限高、体积无限小的点炸出来的,这个点被称为奇点。现有的一切物理定律在奇点处失效,时空在这里终结或说创生。因此,即便在奇点之前还发生过些什么事情的话,也不会对奇点之后的事情产生影响,二者之间没有因果联系,奇点使这种因果联系断掉了。从奇点爆炸的那一刻开始,时间、空间,以及整个宇宙才开始工作。

从宇宙爆炸到最初的10-37秒之间这段时间,被称为宇宙的量子引力纪元,此时的宇宙中还没有物质,只有能量,只有力,这是一个宇宙的所有四种力,引力、电磁力、核子的强力与弱力被合为一体的完美时刻。

紧接着,在10-37秒和10-34秒之间,由于能量从这个不稳定的闷锅中不断地沸溢出来,使得宇宙在这个短得不可思议的时间段里经历了一次“暴胀”时期,也就是以宇宙大爆炸理论中两倍的速度进行极速膨胀。

随后,这四种力分手的时刻到来了,伴随体积的膨胀、温度的降低,最小的物质单位夸克从能量中析出,汹涌的夸克流从旷世的能量中澎湃而出,瞬间使整个宇宙成为一盆电子夸克汤。又过了稍微长一点的一段时间,在宇宙爆炸后的10-6秒后,夸克们互相寻找着结合成质子、中子。

大约在大爆炸发生三分半钟之后,伴随着质子和中子的结合,最初的轻量级原子核出现了,在数千万度如此舒适的温度下,4个氢核激动地拥抱在一起聚变为一个氦核,但膨胀导致的温度下降是如此的迅速,以致还没有聚变出多少氦,温度就已经下降到无法再进行核聚变了。但不管怎么说,此时宇宙的温度仍然极高,电子以高能剧烈运动,原子核还无法俘获这些疯狂的电子。在此后漫长的三十万年的冷却和膨胀之中,随着电子能量的降低,运动减慢,原子核才开始把宇宙中这些游荡的电子一一捕获,最初的原子出现了。但这时只有氢、氦这些个构造简单的轻量级原子。

喜欢开动脑筋的人们可能会问,为什么没有其它更复杂的原子呢?这个问题就像是问为什么早期的地球上只有单细胞生物一样,你能够想象地球上出现的第一个生命就是一只会吐泡泡的顽皮的海豚吗?创造是最艰苦的工作,即使是对宇宙这样的旷世大师也不例外,任何创造都只能遵循从简单到复杂的循序渐进的过程。

尽管此时整个宇宙都过着只有氢和氦的单调生活,但宇宙善于从无聊中钻探出快乐。尽管充斥着整个宇宙的氢气和氦气都在膨胀,但在一些比平均水平稍密集的区域,膨胀会在额外的微小但无法阻止的引力的作用下逐渐慢下来,并最终会停止进而开始缓慢地但不可节制地互相靠拢、聚集,一片片直径以光年计的巨大而稠密的云朵在弥漫整个宇宙的云气中渐渐显出身形,而与此同时,在这些稠密云朵之外的云气的引力拉力使这些云朵开始非常缓慢地几乎难以察觉地旋转起来。但随着云朵在引力作用下的进一步塌缩,它的转速开始缓慢地加快,正如我们都看到花样滑冰的运动员,在冰上旋转时,缩回手臂时会自转得更快,这就是所谓的角动量守恒。最终,当这些云朵收缩得足够小时,自转产生的离心力平衡了引力,塌缩停止了,一个如我们的银河般气势磅礴的漩涡状星系诞生了。

(图VCG41500781295.jpg)

(图VCG41112718179.jpg)

当然,并不是所有的云朵最终都能形成高雅的漩涡状星系,因为这取决于是否产生了恰到好处的旋转,一些没能转起来的云朵最终会形成一些诸如椭球状或说胖梭形的星系,这些星系之所以没有塌缩成一个蛋蛋,是因为星系中存在着局部的围绕星系中心的旋转,但整个星系并没有转起来。

在星系的宏观逐渐成型的同时,星系的内部也在发生着类似的事情。在引力的作用下,星系中的一些区域偶尔会聚集起比平均更多一些的气体,而这种聚集本身又产生更大的引力,从而吸引来更多的气体,一个越来越大的气体球开始渐渐成型,它的半径大约是太阳的一千万倍,而与此同时,一亿个类似的气体球也几乎同步地在星系中缓慢地凝聚着。宇宙在使用时间上是相当奢侈的,当然,这可以理解,毕竟它所创造出的每一件作品都是精品,而且够分量。仅仅为了把分散的气体凝聚成这样一个个的球球就花去了几千万甚至上亿年的时间。不过在随后的日子里宇宙加快了工程进度。尽管从远处看这些气体球已经很有些球模球样了,但如果你走进看,你会发现此时的气体球仍然几乎是透明的,但随着气体球外围的物质不断在引力的作用下向气体球的中心坠落,物质在中心处的密度越来越大,而且增大的速度越来越快,处于中心处的气体分子所辐射出的热开始由于受到阻挡而无法再释放到周围宇宙中,从而导致中心区域开始升温,在随后的几十万年里,中心区域的温度被逐渐提升到2000度,此时氢气开始重新分解成氢原子,随着温度的进一步提高,氢原子中的电子怀揣着更多的能量离开原子核独自上路了,这时的气体球的中心区域变成了一个如太阳般巨大的等离子体,发出大量的光和热。但由于这时的中心区外面还有气体构成的厚厚的外壳,因此,尽管这大球内心如火,但外面依然漆黑一片。随着越来越多的外层物质坠落到中心区并与中心区联成一体,光亮才渐渐从逐渐变薄的外壳里透射出来,气体球开始发出暗淡的光辉。当中心温度升至1000万度时,久违的核聚变回来了,氢聚变成氦,气体球的光芒骤然间猛增亿万倍,一颗恒星被点亮了。

(图VCG41157503775.jpg)

也就在差不多的时间里,其余一亿颗恒星也同时点亮了,整个星系被点亮了,不仅仅是一个星系被点亮了,其余1000亿个星系也同时被点亮了,整个宇宙都被点亮了。宇宙,在黑暗中渡过了10亿年,从这一刻开始,它灯火通明,而且从那以后再也没有熄灭过。

我希望我们的太阳就是那照亮整个宇宙的第一批恒星,但有点遗憾的是,太阳不是,我们的太阳可能是第二代、第三代,也可能是更多代之后的恒星,但不会是第一代。因为根据太阳的光谱,我们发现太阳中含有包括铜、铁等重元素在内的90多种元素。而像太阳这种规模的恒星,无论如何,靠其自身是无法生产出这些重元素的。太阳只能通过氢到氦的聚变生产出氦,因此,对太阳中的重元素的唯一解释只能是来自继承先辈恒星们的遗产。更准确地说,是那些质量超过太阳8倍以上的恒星。

在恒星界,仅仅几倍的质量差就能对恒星的行为产生巨大的影响。太阳所进行的聚变到氦就结束了,然而,那些其质量超过太阳8倍的恒星,却能勇敢地将聚变一往无前地进行下去。在这里,我们需要知道的一点就是,恒星越大,寿命反而越短,而且是急剧地缩短。质量差1倍,寿命就差250倍。也就是说,比太阳质量大8倍的恒星,其寿命只有几百万年。在这样的大恒星上,氢在几百万年内就消耗完了(都聚变成氦了),氢燃烧完了以后,恒星内部失去了向外的压力,于是再一次开始引力塌缩,核心的温度变得更高,达到一亿度以上。这样,就又点燃了第二次核聚变,使三个氦原子聚变成一个碳原子。当氦消耗殆尽后,恒星的引力和斥力又一次失去平衡,开始进一步塌缩,当核心的温度达到8亿度时,碳被点燃,聚变出氧、氖、钠、镁。随着核聚变反应的逐步升级,更重的元素被一一锻造出来。温度达到15亿度时点燃氖,20亿度时点燃氧,30亿度时点燃硅,直到聚合出铁元素。自然界在元素铁处设置了一个极限,铁元素的结构极其稳定,它在聚变时不释放能量,相反却会消耗能量。而巨大的恒星又必须靠不断释放的核能来支撑自身。因此,当聚变来到终结者铁的面前时,巨大的恒星将会因核心失去支撑而坍塌。然而,巨大的恒星度过光辉的一生,在生命的尽头却爆发出一生中最耀眼的光芒,它的光度相当于整个银河系的总光度。巨大恒星粉碎性的爆炸,能量的狂飙扫荡天庭,这就是超新星爆发。此刻它的能量相当于正常恒星的一百亿倍,在这个超能量爆发的瞬间,宇宙中所有的元素都被聚变出来了。像金、银这种重元素,就是在超新星的爆炸中产生的。因此,当我们佩戴它们时,要知道它们的确来之不易,宇宙制造高档产品的代价是巨大的,它需要报废一颗至少比太阳大8倍以上的恒星,才能使我们披金戴银。

(图VCG41166352512.jpg)


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