浅谈宇宙的演变过程

浅谈宇宙的演变过程

[摘要] 能量守恒定律是物理学中最基本的一个定律,本文从能量守恒角度结合相对论和量子力学探讨了宇宙的演变过程。

[关键词] 能量守恒物理学宇宙演变

既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只能从一种形式转化为别的形式,或者从一个物体转移到别的物体,在转化或转移的过程中其总量不变,这就是能量守恒定律。从这个定律中可以看出,宇宙中的能量是不变的,只是它的载体(物质)和形态在不断地发生着变化。宇宙的演变过程,就是能量的不断转化过程,从一种状态转化成另一种状态,并且一直延续下去。宇宙有没有开始和消亡呢?既然能量不会凭空产生也不会凭空消失,那么宇宙就没开始和消亡。虽然宇宙没有开始和消亡,但我们所处的宇宙(时间—空间)却存在着一个状态演变的过程。

由于宇宙没有开始和消亡,而是在每一个时间-空间以某种状态存在,在讨论宇宙的演变时,就不能用开始来描述宇宙,为了讨论方便,这里取一个点作为推演的开始,这个点就是“炁”。

在“炁”这个时刻,宇宙中的能量是以基本粒子的状态和形式存在,我们也可以把这种状态称为混沌。用“时空坐标”表示,处于坐标“原点”。此时的空间处于无穷大、时间处于无穷小,时空坐标的y轴(空间轴)上的任意点,既是时间的x轴的端点或原点“0”,时间为零态。

基本粒子是运动的,绝对静止是不存在的,但由于空间无穷大,

虽然在空间中存在各种力,但这此力错综复杂,彼此作用,还没有形成质子、中子和电子等等更大的粒子。现在所熟知的力一共有四种:第一种力是引力,这种力是万有的,也就是说,每一粒子都因它的质量或能量而感受到引力。引力比其他三种力都弱得多。另一种力是电磁力。它作用于带电荷的粒子(例如电子和夸克)之间,但不和不带电荷的粒子(例如引力子)相互作用。它比引力强得多。第三种力称为弱核力。它制约着放射性现象,并只作用于自旋为1/2的物质粒子,而对诸如光子、引力子等自旋为0、1或2的粒子不起作用。第四种力是强作用力。它将质子和中子中的夸克束缚在一起,并将原子中的质子和中子束缚在一起。一般认为,称为胶子的另一种自旋为1的粒子携带强作用力。它只能与自身以及与夸克相互作用。随着基本粒子的运动,这些力发生着变化,在某一时刻,这些最基本的微粒子凝结成电子、质子、中子、中微子等物质粒子,能量以一种新的形态出现。

这些物质粒子,在各种力的作用下,经过碰撞、凝结、组合成新的稳定结构个体单元,便形成尘埃颗粒。之后,凝结碰撞形成粒子“云雾”,弥漫整个空间,这就是后来形成星体的物质材料——星云。

在自身引力下星云开始坍缩,当它们收缩时,其中的原子相碰撞,气体温度升高,直到最后,热得足以开始热骤变反应。这些反应将更多的氢转变成氦,释放出的热升高了压力,因此使星云不再继续收缩。从而,星云形成了星体。星体的内部能量积聚,大量的放射性物

质聚集,在运转过程中,星体形成核心,外层类似地壳的地层。宇宙就形成无数的“鸡蛋”似的星体,形成无数的第一代行星(不发光的星体)比现在的地球要大十几倍或几十倍。

在行星演化过程中,行星内部温度越来越高,原子的运动速度越来越快,碰撞越来越剧烈和频繁,从而发生了大量的原子跃迁。原子由较高能级到较低能级的跃迁可以分为两种:一种是在不受外界影响的情况下体系由能级跃迁到另一能级,称为自发跃迁;另一种是

体系在外界作用下发生的,称为受激跃迁。在这两种跃迁中,都有能量从原子中发射出来。至此,行星成熟,开始发热发光,开始辐射大量的能量,行星由此晋升为恒星。

恒星形成后开始进入生命周期中的氢燃烧阶段,氢的原子核聚

变成氦,并向外发放光和热。当恒星中的氢消耗掉10%时就发生收缩,恒星中心部位的温度升高到1亿k以上。同时,由于恒星内部的活动,恒星外层被中心区域推开,膨胀的恒星变成一颗红巨星。于是,在星球密度很大温度极高的中心部分开始发生氦的燃烧,氦核聚变成铍,碳和氧。这一阶段一直延续到恒星中心部分的氦消耗殆尽,碳和氧所占的比例大致相等时才结束。氦的燃烧阶段结束时,星球中心区域收缩,温度重新上升。在一些质量足够大(质量至少是太阳的4倍)的恒星里,中心的温度可以达到10亿k,碳和氧的燃烧得以开始,结果形成了钠,镁,硅和硫等元素。当恒星中心部分的碳和氧消耗殆尽并富含硅时,便开始了硅的燃烧阶段,硅转化成硫,氩和其它一些更重的元素。如果恒星通过收缩,能使内部温度升到30亿k左

右,那么恒星便开始了它生命周期中的平衡阶段,形成铁及附近的一些元素。铁在所有元素中,其原子核最为稳定,因此一颗恒星能燃烧到生命的终结。垂死的恒星与自身的引力作着最后抗争,但最终还是跌进了引力深渊之中。外围各层数以万亿吨计的物质以每秒几成公里的速度朝核区坍缩,与核区发生了极为强烈的碰撞,这就是“超新星爆发”。恒星在演化后期,抛射出大量的物质,经过大量的质量损失后,如果剩下的核的质量小于1.44个太阳质量,这颗恒星便可能演化成为白矮星。

在巨大的压力之下,电子将脱离原子核,成自由电子。这种自由电子气体将尽可能地占据原子核之间的空隙,从而使单位空间内包含的物质也将大大增多,密度大大提高了。形象地说,这时原子核是“沉浸于”电子中。一般把物质的这种状态叫做“简并态”。简并电子气体压力与白矮星强大的重力平衡,维持着白矮星的稳定。当白矮星质量进一步增大,简并电子气压力就有可能抵抗不住自身的引力收缩,白矮星还会坍缩成密度更高的天体:中子星。

当恒星耗尽了燃料,它开始变冷并开始收缩,从而变的体积很小但质量却很大,当该恒星收缩时,其表面的引力场变得很强,光线向内偏折得更多,从而使得光线从恒星逃逸变得更为困难。对于在远处的观察者而言,光线变得更黯淡更红。最后,当这恒星收缩到某一临界半径时,表面的引力场变得如此之强,以至于光线再也逃逸不出去。根据相对论,没有东西会走得比光还快。这样,如果光都逃逸不出来,其他东西更不可能逃逸,都会被引力拉回去。也就是说,存

在一个事件的集合或空间——时间区域,光或任何东西都不可能从该区域逃逸而到达远处的观察者。现在我们将这区域称作黑洞。

在黑洞形成的过程中,黑洞的中心形成了一个奇点,向奇点坍缩的物质受到量子过程的影响,发生‘反弹’而转为向外膨胀,这就是黑洞辐射。黑洞辐射的存在意味着,引力坍缩不像我们曾经认为的那样是最终的、不可逆转的。黑洞吸收了能量,黑洞的质量将增加,但是最终这额外质量的等效能量会以辐射的形式回到宇宙中去。当黑洞在它的生命晚期,质量变成非常小时,最后的结果是,它从宇宙的我们这一区域消失了。而从黑洞辐射出的又是“炁”时刻的基本粒子,从而宇宙又回到了“炁”,也就是所谓的混沌。

最后,我们可以看到,宇宙经过基本粒子——原子——星云——行星——恒星——超新星——红巨星——白矮星——中子星——黑洞——奇点(黑洞辐射)——基本粒子,从而形成一个周期。在宇宙演变的过程中,没有开始,也没有结束,每一时刻只是能量以某种载体和形态显现罢了。

参考文献:

[1]p.g.柏格曼.相对论引论.人民教育出版社.

[2]周世勋.量子力学教程.高等教育出版社.

[3]史蒂芬霍金.时间简史——从大爆炸到黑洞.湖南科学技术出版社.