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2012年3月10日 星期六

與小女兒談談這個宇宙 – 宇宙大爆炸 II

她說:”耶…..今日終於要進入爆爆中心那一小點了…”
我回:別小看這一個小點哦,你想想看,如果依照質能守恆的定律,曾經,在137億年前,所有這些1000億個星系x1000億個恆星x10個行星都擠在這個點上,那這個點是什狀況呢?” 


她說:哦,難怪你上一次會說在這個體積無限小的「點」,密度是無限大、熱量/溫度無限大…”
我回:嗯,據說高達攝氏1兆度,你知道質能守恆的定律嗎?”

她說:嗯,質量不會憑空消失或產生,能量也不會憑空消失或產生,但是質量可以轉換成能量,能量可以轉換成質量,啦啦啦...”
我回:對,質能守恆定律是自然界普遍存在的基本定律之一。其實也和我們日常生活的認知是相同的。但是,在這個奇特的點,因密度是無限大、熱量無限大,所以一切我們已知的物理定律在這個奇異點失效了。 

她說:為什麼呢? 很難想像喔
我回: 依據愛因斯坦廣義相對論,質量和能量會造成時空彎曲,質量能量密度越大,曲率就越大,所以奇異點的時空曲率無限大
她說:甚麼東東啊,聽不懂了啦,只聽懂愛因斯坦"
我回:我們把這個話題留到以後再細說,反正啊,一堆東西擠在一個點上,所以所有的物理定律在這個奇異點都不適用是可以想像的,對吧?!所以讓我們跳過去繼續談大爆炸吧。
她說:好吧 

我說:現在注意哦,瞇著眼,倒數3..2..1, 想像眼前有一個小小的點要爆開了哦
10-43秒時,空間與時間在此第一次Bang出現
10-35秒,夸克時代
宇宙暴漲出廣大均勻的空間,夸克/輕子/作用力子這些少數幾種基本粒子到處亂飛,這個時期稱為夸克湯。

這個時候的宇宙仍然非常的熱,以至於這些粒子都在高速隨機運動碰撞,而正粒子與反粒子也在這個時候因為不斷的碰撞所以也不斷地產生和湮滅…”


她說:可是我聽姊姊說過現在這個世界都是正物質,沒有反物質啊!
我回:對啊,宇宙中正粒子和反粒子的數量應該是相同的啦。可是後來,不知道為什麼出現了一種違反守恆的反應,它使夸克和輕子的數量略略超過了反夸克和反輕子的數量,大約每10億對正反夸克多出1個正夸克。這一微妙的差異導致了今天宇宙中正物質多於反物質,所以正物質主宰了我們這個宇宙。

她說:正反粒子,正反物質,聽起來真怪
我回:其實啊,反粒子/反物質只是與正粒子/正反物質帶著相反的電荷而已。
她說:然後呢?”
我回:好,我們要加快速度了,你要跟上哦。
10-35秒,夸克出現
10-5秒,質子/中子/電子出現

夸克形成質子及中子,電子也在這個時候產生了。溫度約為1000億度。以前我們說過質子是二個上夸克和一個下夸克聚集而成,中子則是二個下夸克和一個上夸克聚集而成的。

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~10秒鐘,原子核出現

質子和中子又結合成原子核,溫度是30億度。這個時候我們稱為核融合反應,核融合反應就是四處亂飛的質子及中子碰撞融合形成原子核,原子核再跟其他原子核融合成更大的原子核,例如一個質子和一個中子核融合反應後成為氫原子核 ->重氫原子核 ->重氦原子核…. 

35分鐘,原子核形成的過程停止,溫度是3億度。

      原子核帶正電,溫度降低時,原子核彼此就會相斥,無法碰撞融合了。

 30萬年,原子出現

溫度降到大約3000K時,電子和原子核因飛行速度變更慢而終於結合成為原子。原子核是帶正電,電子是帶負電,飛行速度變慢的電子會被原子核擄獲而形成原子。


38萬年~3億年,黑暗時代

      這是一個幾乎只有氫和氦飄盪的世界。還沒有恆星,只是氫和氦這裡那裏慢慢地聚集一堆堆。 

3億年,第一代恆星與星系形成

     

她說:為什麼要說是第一代? 他們不見了嗎?”
我回:為什麼強調是第一代? 因為他們很快就死了。第一代恆星每顆都具有數十或數百個太陽質量,遠比今日的恆星重許多。
她說:為什麼?”
我回:氫和氦是氣體,如果聚集的不夠多不夠大,就不會因自己的重力塌縮,進行核融合反應最後爆炸。這些第一代恆星歷經非常短暫但耀眼的生命便爆炸死去了,為麼說耀眼呢? 因為質量如此大的恆星,溫度一定很高,所以應會發出耀眼的藍白色光芒。但是他們的犧牲可是留下了一個重要的資產哦,那就是重元素。 

她說:重元素?”
我回:除了氫和氦之外的所有化學元素,我們稱之為重元素。原本只有氫和氦的世界,因恆星內部劇烈核融合反應產生了一切重元素,例如氫原子核->氦原子核 ->碳原子核…..->鐵原子核。在恆星爆發後,這些重元素就被爆炸擴散到宇宙空間中去。這些恆星根本就是製造元素的"媽媽"。  其實第一代恆星爆炸後,在爆炸中心也留下了黑洞,這是另一個有趣的主題,我們以後再談吧 

我繼續說:”10億年,是目前觀測到天體的極限
30億年,星系團形成。恆星形成的巔峰期
50億年,太陽系形成
100億年,暗能量當家,宇宙開始加速膨脹
137億年,就是今天啦。這就是宇宙歷史簡介,謝謝晚安

讓我們來看一下Science Photo Library 裡的影片。 http://www.sciencephoto.com/media/236996/view



她說:等一下,等一下啦,暗能量又是甚麼東東啊?”
我回:你知道嗎?! 在我們現在這個世界裡,你我或日月星辰的任何可見物質其實只佔總宇宙質能的4%”
她說:等一下,才4%,那剩下是甚麼?”
我回:剩下的有23%是不會輻射電磁波,也不會與我們這些普通物質進行任何交互作用的暗物質,還有72%是會讓現在宇宙加速膨脹的暗能量,以及少許約0.5%的微中子。
她說:太奇怪了吧!
我回:對啊,其實大爆炸理論發展至今,還有很多奇特的物理現象,這些物理現象還沒有在實驗中觀測到。在這些奇特的物理現象中,暗物質和暗能量是大家目前最想要發現的。 

她說:那為什麼會假設有暗物質和暗能量的存在?”
我回:回到上一次的科學理論,科學理論怎麼來的?”
她說:科學理論是基於一個假設,然後用一個數學模型,來描述我們看到的現象。這個數學模型會告訴我們在甚麼情況下,應該會得到甚麼樣的結果,於是我們開始進行實際觀察測量…”

我回:好,停,所以在二十世紀七十至八十年代進行了很多種的觀測,結果發現宇宙中可見的物質含量,不足以解釋所觀測到的星系內部以及星系之間彼此產生的引力。這就導致了科學家猜測宇宙中應該有多達90%的物質是我們目前看不到的。 

她說:但為什麼看不到?”
我回:我們現在的科技要看到某樣物質,是要基於這個物質會輻射無線電磁波讓我們的偵測器收到,或是這個物質會和我們現有的普通物質產生交互作用,但以目前的技術或儀器,我們都還沒發現這不見了的物質,所以我們才會稱其為暗物質

她說:那暗能量呢?”
我回:也是根據實際觀察測量,我們發現宇宙大概從100億年前,它的膨脹開始加速。暗能量就是用來解釋這種加速膨脹的因子。
我繼續說:今天先到這兒,反正,你先知道暗物質是引力的來源,架構起這整個星系宇宙,而暗能量則剛好相反,是一種斥力,將整個宇宙往外推,所以現在的宇宙才會加速往外膨脹。我們下一次來談是那些觀測證據使人們現在比較願意接受宇宙爆炸的模型。

我們來看一下暗物質和暗能量的介紹。
http://www.ted.com/talks/lang/en/patricia_burchat_leads_a_search_for_dark_energy.html


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