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平坦宇宙(Flat universe):宇宙所擁有的物質足以使其膨脹速度減緩,但又不發生坍縮。

1 平坦宇宙 -簡介

平坦宇宙(Flat universe):宇宙所擁有的物質足以使其膨脹速度減緩,但又不發生坍縮。

平坦宇宙平坦宇宙

當天體物理學家說到宇宙的幾何形狀時,稱宇宙是平坦的,他們指的是,在整個宇宙範圍內光是沿直線傳播的。

 

 

 

2 平坦宇宙 -宇宙的幾何形狀

當天體物理學家說到宇宙的幾何形狀時,稱宇宙是平坦的,他們指的是,在整個宇宙範圍內光是沿直線傳播的。

3 平坦宇宙 -宇宙的結構

宇宙的結構實際上是時間和空間的結構,普通人很難想象。不過科學家提出一個稀量宇宙結構的標準:如果兩束平等光線越來越近,那麼宇宙結構是球形的;如果兩速平行光線越來越遠,那麼宇宙結構是馬鞍型的;如果兩束平行光線永遠平行下去,那麼宇宙結構則是平坦的。平坦宇宙的結構可以用歐幾里德幾何解釋。

平坦宇宙球形宇宙結構-模型圖


宇宙結構是平坦的這一結構是參加「銀河系外毫米波輻射和地球物理氣球觀測項目」的多國科學家得出的。這一項目的目的是研究宇宙背景輻射的詳細情況。科學家在1998年底將射電天文望遠鏡放置在氦氣球上升到距地面約40公里的高空,在那裡對特定宇宙區域進行了11天的觀測,獲得了迄今關於宇宙早期輻射最詳實的數據。

4 平坦宇宙 -科學研究

經過研究,科學家發現,在大尺度上,宇宙最初發出的光線並沒有發生彎曲現象,也就是說當初的兩束平行光線一直保持平行狀態,這說明宇宙結構是平坦的,也就是說宇宙總質量恰好等於臨界質量,宇宙將像現在這樣一直膨脹下去。
早在1965年,科學家就已探測到宇宙空間中均勻分佈著的宇宙背景輻射,其溫度為零下270攝氏度。大爆炸學說認為,這種輻射是宇宙大爆炸后的「餘燼」中,科學家可以推測大爆炸初期的情景。
1994年,美國宇宙背景控測衛星發現,宇宙背景輻射中存在著微小溫度波動,如同在「餘燼」中閃動著的微弱「火光」,這表明那時宇宙內已存在密度非常小的物質雲團。正是這些雲團。逐漸收縮形成了後來的星系。「銀河系外毫米波輻射和地球物理氣球觀測項目」是在該衛星發現的基礎上進行觀測的。

5 平坦宇宙 -結論

我們的宇宙像一塊平板那樣平坦,這一結論是以阿蘭·伯努瓦博士為首的國際研究小組作出的,該研究小組在瑞典基律納市科學基地進行了一項奇特的實驗,科學家在宇宙研究委員會組織的會議上通報了自己的發現。
科學家選擇了2月2日無月之夜進行研究,法國宇航局專家研製的一個巨型氣球使Archeops望遠鏡上升到33千米的高空,望遠鏡可使科學家在12小時內跟蹤觀察殘餘的輻射,殘餘輻射是150億年前發生宇宙大爆炸理論的主要證據之一,這種殘餘輻射曾在1965年被發現。
2007年歐洲宇航局準備發射一顆Planck-Surveyor衛星,該衛星將進行更加仔細的研究,為了完成這一使命,已利用高空氣球將幾台望遠鏡升上高空,這些望遠鏡能更準確地說明這些數據。Archeops望遠鏡是最後一台,科學家利用它證實了驚人的假設:宇宙是平坦的。當天體物理學家說到宇宙的幾何形狀時,稱宇宙是平坦的,他們指的是,在整個宇宙範圍內光是沿直線傳播的。換言之,光線不會在物質-能量物體作用下發生彎曲。宇宙是由物質-能量物體組成的,而根據愛因斯坦理論,光線在太陽附近會發生彎曲。

6 平坦宇宙 -宇宙大爆炸理論

一、宇宙的空間是無限廣大、無邊無際的物質的延伸。它從橫的方面描述了客觀存在的物體的相互位置。宇宙的時間同樣是無限的和無始無終的,它既無開端,又無終結。

牛頓把空間作為一個物理實體,認為它是靜止的,不可移動的,並且往往把空間和時間認為是物件和事件的「容器」,而不依賴於物質的密度。適用牛頓絕對空間的幾何,就是通常的歐幾里德幾何,但絕對空間和絕對時間的觀念並不符合實際。這樣的時空觀影響了人們對宇宙的進一步認識,實際上,時空連續區在其物理性質上是獨立的,具有物理效應。空間的幾何性質和時間的流逝取決於一定空間區域內的物質密度。牛頓時代的時空觀更無法解釋當今宇宙中存在的一些基本現象,如:微波背景輻射、星雲紅移現象以及宇宙中氘的成因等。

二、1927年,比利時物理學家喬治·勒梅特提出宇宙正在由一個「原始的原子」,不斷膨脹的理論,即現在的大爆炸理論和膨脹理論。現已被越來越多的科學家接受。
據說,約150億年前,在宇宙的原始奇點,即整個宇宙空間為零容積的狀況下,發生了大爆炸,這個奇點應該是一個高度有秩序的奇點,而被有的科學家認為是時間的起點。這個大爆炸是一次核反應。
大爆炸學說的基本觀點是:宇宙早期處於高溫高密狀態,隨著宇宙的膨脹,溫度下降。在大爆炸時宇宙的大小被認為是零,因此,是無限地熱。大爆炸之後的10-43秒,稱為普朗克時間,在普朗克時間的那一點上,宇宙已經變成了一個比原子還要小的熱點,且宇宙的密度極大。在普朗克時間之前,所有的物理學定律失去了作用。而在普朗克時間(10 -43秒)之後,物理學定律才有作用。大爆炸最初一刻,整個宇宙是形成一個質子的萬億分之一時間時,宇宙可能處於同質狀態。有的膨脹模型指出,宇宙最初瞬間的膨脹速率呈指數增長,而在某些膨脹模型中。該瞬間可在宇宙開始后持續10-34~10-30秒。1999年,天文學家獲得新證據,表明宇宙是平坦的,為大爆炸理論提供了新的佐證。大爆炸之後,宇宙中基本粒子很快形成,基本粒子又逐漸合成為元素。後來逐漸演變為氣狀物質,宇宙進一步膨脹,使輻射溫度不斷下降,氣狀物質便開始凝聚成星系或星雲、星系團,最後形成恆星,產生我們現在所見的宇宙。大爆炸之後,隨著宇宙不斷地膨脹,同時物質密度不斷從密向稀演化,溫度也不斷下降。這就是大爆炸宇宙學派的基本主要觀點。這種觀點認為宇宙演化大致分幾個階段。

(一)宇宙極早期階段,又叫基本粒子形成階段。
在大爆炸后第一秒內,宇宙便開始形成基本粒子,該階段主要是強子和粒子的生成和湮滅,主要經歷以下過程:
首先,從宇宙時的零秒到10-43秒,這是普朗克時間階段,所有物理學定律不適用。從10-43秒到10-36秒,這時宇宙的溫度極高,物質密度極高,物質的存在形式一般說不清楚,可能處於同質狀態。在10-34~10-30秒,有的膨脹模型指出呈指數增長速率膨脹。而暴漲宇宙理論認為:若1滴答=10-34秒,暴漲可能延續幾百個滴答,然後就結束了。即經10-32秒之後,決定宇宙基本結構和物理成份的過程,便已告完成了。宇宙躍變結束時,宇宙約有壘球那麼大。10-14秒之後,宇宙半徑增長到約3英尺,溫度冷卻到1000億度,此時,原子的構成成份,夸克和電子形成了。
隨著宇宙膨脹,溫度繼續下降。強子逐漸生成,在宇宙時10-6秒時,原子本身形成了,這時夸克聚集成質子和中子,質子和中子聚集成原子核。而原子核和電子形成了原子。最終第一個元素氦,以大大降低的速度,穿過我們今天仍能探測到的高度,其背景輻射,飛遍了整個宇宙。
這時,宇宙中最活躍的是進行強相互作用的基本粒子──強子,它包括介子和重子(如質子、中子、超子等)。在大爆炸后10-2秒時,宇宙中的溫度大約為1000億開,物質密度下降到1011克/厘米3。這時是輕子起主導作用,宇宙中物質分成以電子、夸克、μ介子、τ子為主,所以是輕子為主導作用階段。它的主要特徵是輕子的分解和正、反粒子的湮滅。由於在這個過程中,輕子的分解和正、反粒子的湮滅是不斷進行的,因而產生了大量的光子和中微子,以至當溫度降到100億度時,相對於實物來講,輻射(光子)佔優勢。

(二)元素形成階段,又叫輻射階段。
大爆炸1秒后,宇宙溫度降到大約100億度,這時宇宙主要含有光子、電子、中微子及其反粒子,還有一些質子和中子。從大爆炸以後的第1秒鐘到3分鐘,宇宙進入元素形成階段。在爆炸發生后一秒時,宇宙中的物質密度降到107克/厘米3,這時宇宙不僅整體上膨脹佔優勢,而且,各處都處於排斥(輻射)為主的階段,在該階段後期,實物(如質子、中子、電子等實物粒子)已開始發生很大變化,電子/反電子對在碰撞中的產生率就落到它們的湮滅率之下。這時,多數電子和反電子彼此湮滅,產生更多的光子,只留下少數電子。中微子和反中微子卻不彼此湮滅,因為這種粒子彼此之間,以及和其它粒子之間的相互作用很弱,因此,它們今天仍然到處都有,但因現在的中微子能量太低,無法直接觀測。中微子不是無質量的,而有一個小質量,能間接地探測。中微子可能是一種暗物質,具有充分的引力,以停止宇宙膨脹,並使之再次坍縮。大爆炸以後約3分鐘,溫度下降到約10億度,這時質子和中子已不再有足夠的能量能夠逃脫強核力的吸引,即中子開始失去了自由存在的條件,開始與質子合成,形成重氫(氘)原子核,氘核再和更多的質子和中子結合成氦核,氦核有2個質子和2個中子。以及少量的兩個更重元素:鋰和鈹。於是就形成了幾種不同的化學元素。因為原子核是由核子(質子和中子)合成的,所以,該階段又叫核合成(即元素形成)階段。當溫度降到100萬℃,早期形成化學元素過程就結束了。核合成結束時,氦的含量按質量計算約佔25-30%,氘佔1%,其餘大部分是氫,剩餘的中子衰變為質子,質子是氫的原子核。由於氦十分穩定,所以這些氦能夠一直保留到今天。大爆炸以後的幾個小時,氦及其它元素的產生即已中止。
計算表明,氦核的活動延續了大約3分鐘,並予言宇宙中元素應以特定的比例存在,其中1/4為氦,它用完了所有可利用的中子,餘下的核子(沒有聚合的質子)自然形成了氫原子核,氫約佔3/4。這與天文測量結果相符。所有重元素(鋰、碳)占不到1%,這些重元素在晚些時候形成。
另外,在宇宙膨脹最初幾分鐘內所釋放的巨大熱量,應當導致某些微量同位素的產生。如:氘又叫重氫,它比氫多一個中子。氫、鋰也相繼形成,而氘是不能被恆星製造並保留下來的,唯一可行的解釋是所有氘都是原始的,它是在在大爆炸中產生的。從而是大爆炸理論的一個佐論。此後,第二階段大約經歷了數千年,該階段宇宙間的物質主要是質子、電子、光子和一些比較輕的原子核,光輻射依然很強,也依然沒有星體存在。

(三)實物階段
大爆炸后約1萬年,隨著宇宙的膨脹,溫度下降到約10萬開,實物密度大於輻射(光子)密度,輻射退居到次要位置,輻射減退後,宇宙間物質主要是氣狀物質,由於這種物質不再受輻射影響,當發生某種非均勻擾動時,有些氣體物質在引力作用凝聚成氣體雲,氣體雲再進一步收縮就產生了各種各樣的星系,成為我們今天看到的宇宙,在無數恆星演化中產生太陽和太陽系,並繼續演化。
宇宙在3萬年時,宇宙溫度約1萬度。
宇宙產生30萬年時,當溫度降至約4000開時,進入第三階段的實質過程。這時,電子和原子核已不再有夠多的能量,以克服它們之間的電磁吸引力時,它們就要開始結合成為原子。並且,物質終於與輻射相分離,宇宙才從不透明狀態變成透明狀態,輻射熱因此而散發到各個方向,宇宙沐浴在一種熱輻射中,這是「黑體」輻射。並以今天的宇宙微波背景的方式到達我們這裡。30萬年以來,輻射幾乎一直在平穩地傳播著。
宇宙輻射物──典型的中子主要直線旅行在氣態當中,宇宙學家古思認為,大爆炸之後,宇宙非常熱,以至充滿了等離子,沒有中性原子了,原子都分裂了。因此,電子離開原子核,自由地到處移動,當物質處在等離子狀態時,它對輻射物來說,是非常不清晰的,這種自由電荷粒子與形成光的光子非常強烈地相互作用。這樣,這些光子就不斷地被軀散和吸收,它們從來沒有真正地到達任何地方。宇宙繼續膨脹和冷卻,在那些物質密度比平均密度稍大的一些區域,膨脹被附加的引力所阻滯,該阻滯使某些區域停止膨脹。並重新坍縮,逐漸形成旋轉星系和橢圓星系,並逐漸進入穩定狀態。
約100萬年後,形成許多原子,後來又被「煮」成星體中的重元素,最終產生提供生命誕生的物質。
當原子核與其它原子核相撞時,能被激發,引起共振,這個精確的共振,會產生豐富的碳,滿足多種生物的需求,隨後的核反應中,產生了元素氧、氮以及生命所必須的其它重元素。
總之,宇宙起始於大爆炸,銀河系成形於氣團。星體先在銀河系中心形成,然後比較迅速成熟,形成今天看到的樣子。

三、膨脹理論告知

在創世的一瞬間的極短時間內,宇宙很快以百倍的膨脹係數,達到了以後150億年的膨脹量,在此突然劇增的過程中,宇宙在次原子大小時,所具有的同質性特點,成了宇宙在膨脹后時代的特徵,也就是說,宇宙在膨脹前存在的任何不均性,都可能被急速的膨脹力量抹平。
膨脹理論為解釋宇宙中相距甚遠的部分,最初是如何聯結在一起的,提供了一種說法。
例如,宇宙的兩側,相距300億光年以上之遙,但卻有著完全相同水平的宇宙背景輻射。而最初這兩側是在一起的,因為膨脹而分開,以至後來相距甚遠。當膨脹發生時,只要觀察的面積大小相同,不管天空哪一部分,衛星數據都顯示了同樣數量的小、中、大波紋。
宇宙開始於一個指數膨脹階段,或根據古思的暴漲宇宙模型所指出的暴漲階段,它的尺度增加了一個很大的倍數,在膨脹過程中,最初密度漲落還保持很小,但此後也開始增長。宇宙從光滑和有序的狀態開始,在時間進行中變得結塊和無序,符合熱力學的時間箭頭。
大爆炸理論是膨脹模型的重要部分,這種指數式的膨脹過程,在平滑和一致的宇宙形成方面起了很大作用。
1999年,天文學家獲得新證據,表明宇宙是平坦的,為大爆炸理論提供了新的佐證。
根據物理學家古思的膨脹模型,新宇宙在一次能量釋放的躍變后,短暫加速自己的膨脹,即暴漲。在耗掉躍變的能量后,又回到較慢和減速膨脹狀態。好像水變成冰時的躍變,當水分子形成新的堅硬狀態的冰時,它要釋放出它的隱性能量。
我們可以用多卜勒效應測量其它星系離我們遠去的速度,決定現在的膨脹率,這可以測得很準確。但星系的距離知之不詳,只能間接測量它們。因此,我們只知道宇宙每十億年膨脹約5%至10%,但關於宇宙現在密度的不確定性很大!

7 平坦宇宙 -天文學家發現宇宙結構是平坦的

天文學家在英國《自然》雜誌上發表論文宣布,根據最新觀測,宇宙結構是平坦的,而且將永遠膨脹下去。
根據現代宇宙學中最有影響的大爆炸學說,宇宙是大約150億年前由一個非常小的點爆炸產生的,目前宇宙仍在膨脹。這一學說得到大量天文觀測的證實。這一學說認為,如果宇宙總質量大於某一臨界質量,那麼宇宙的結構是球形的,並且總有一天會在引力作用下收縮;如果宇宙總質量小於臨界質量,那麼宇宙的結構是馬鞍形的,宇宙內部的引力無法抵消宇宙膨脹的速度而使宇宙一直膨脹下去;如果宇宙總質量恰好等於臨界質量,那麼宇宙的結構是平坦的,宇宙也將像現在這樣一直膨脹下去。
宇宙的結構實際上是時間和空間的結構,普通人很難想像。不過科學家提出一個衡量宇宙結構的標準:如果兩束平行光線越來越近,那麼宇宙結構是球形的;如果兩束平行光線越來越遠,那麼宇宙結構是馬鞍型的;如果兩束平行光線永遠平行下去,那麼宇宙結構則是平坦的。平坦宇宙的結構可以用歐幾里德幾何解釋。
宇宙結構是平坦的這一結論是參加「銀河系外毫米波輻射和地球物理氣球觀測項目」的多國科學家得出的。這一項目的目的是研究宇宙背景輻射的詳細情況。科學家在1998年底將射電天文望遠鏡放置在氦氣球頂部,隨氦氣球上升到距地面約40公里的高空,在那裡對特定宇宙區域進行了11天的觀測,獲得了迄今關於宇宙早期輻射最詳實的數據。
經過研究,科學家發現,在大尺度上,宇宙最初發出的光線並沒有發生彎曲現象,也就是說當初的兩束平行光線一直保持平行狀態,這說明宇宙結構是平坦的,也就是說宇宙總質量恰好等於臨界質量,宇宙將像現在這樣一直膨脹下去。
早在1965年,科學家就已探測到宇宙空間中均勻分佈著的宇宙背景輻射,其溫度為零下270攝氏度。大爆炸學說認為,這種輻射是宇宙大爆炸后的「餘燼」。從這些「餘燼」中,科學家可以推測大爆炸初期的情景。1991年,美國宇宙背景探測衛星發現,宇宙背景輻射中存在著微小溫度波動,如同在「餘燼」中閃動著的微弱「火光」,這表明那時宇宙內已存在密度非常小的物質雲團。正是這些雲團逐漸收縮形成了後來的星系。「銀河系外毫米波輻射和地球物理氣球觀測項目」是在該衛星發現的基礎上進行觀測的。
科學家計劃在未來幾年內發射兩顆衛星,更精確地觀測宇宙早期輻射的情況,屆時宇宙誕生和結構之謎將被進一步揭開。

 

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