宇宙中最初的氢和氦
宇宙是一个物质的世界,在人类没有走出地球之前,我们从宏观上看到的地球,到处都是各种物质,大地,高山,海等这些宏观可见的东西,它们都是物质构成的。
随着人类走进科技时代,发明了显微镜之后,我们看到了宏观背后微观世界,在宏观世界里,我们看不到任何东西的空间里,在显微镜之下同样存在着大量的微观粒子,它们也是物质。
当我们走出地球看到了浩瀚的宇宙之后,认知也有了大幅提升。在很多人看来,宇宙是真空的,天体之间的距离也非常大,平均都在数光年以上,天体之间的空阔地带应该没有物质的存在。可事实上,宇宙没有绝对的真空,在我们认为没有物质的真空中,仍然存在着一些微观粒子,只是我们肉眼看不到。
物质构成了这个世界的一切,构成了整个宇宙。根据科学研究,地球上的总物质量达到了6亿亿亿公斤,而地球所在的太阳系总质量达到了200万亿亿亿公斤。银河系的总质量更是太阳质量的一万亿倍,而银河系也只不过是可观测宇宙范围内的一粒尘埃。
由此可见,宇宙的总质量更是一个我们无法想象的数字,看到这里很多人要问了,宇宙中的这些庞大的物质是如何来的?其实它们的来历跟恒星有着密切的关系。恒星相当于宇宙元素的提炼加工厂,它是宇宙诞生后不久就出现了。
恒星内部的核聚变可以将氢元素聚变成氦元素,而氦元素又进一步发生核聚变生成更重的氧元素以及其它的元素。我们都知道,元素周期表有118种元素,这只是目前人类已经发现的,而在宇宙中可能还存在着一些我们没有发现的未知元素。
如此多的元素都是恒星通过核聚变转化而来的吗?当然不是,恒星的核聚变只能将氢元素转化到铁元素这个位置,而后面的那些更重的元素则需要其它的方式,比如恒星末期发生的超新星爆发,中子星碰撞等。
不管是超新星爆发,还是中子星碰撞,它们的起源都跟恒星有关,恒星寿命走到末期会发生超新星爆发,而中等质量的恒星超新星爆发之后就会形成中子星。由此可见,恒星对于宇宙的演化有多么的重要,如果没有它们,也就没有现在宇宙的一切。
现在我们知道了宇宙90多种重元素的来历,那么宇宙最初的氢和氦又是来自于哪里?难道真的是无中生有?首先我们要明白,站在科学的角度,不存在无中生有这样的事情。宇宙最初的氢和氦也是必然有其来源的,它们跟随着宇宙大爆炸而出现。
根据大爆炸理论,宇宙中最初是没有任何物质的,就连空间都不存在。在138亿年前,宇宙就是一个时空奇点,后来这个时空奇点发生了大爆炸,一个时空奇点能够以大爆炸的形式展开,说明有一股巨大的纯能量在推动着它。
这股能量让时空奇点在大爆炸之后诞生的空间快速膨胀,根据科学家的研究,宇宙曾短暂经历过几何指数式增长,在很短的时间内,宇宙空间就扩展到非常大。随着快速的膨胀扩展,这股巨大的能量也得以快速分散开来,到达宇宙的各个角落。
随着宇宙的快速膨胀,温度也在逐渐降低,到了宇宙诞生后10^-33秒,宇宙空间暴胀结束,纯能量开始转变为各种基本粒子。可能有朋友会问了:能量怎么能够转化为基本粒子?其实这个问题的答案爱因斯坦的质能方程式已经告诉我们了。
爱因斯坦用质能方程式告诉我们,质量和能量从某种意义上来讲是等价的,它们二者没什么本质区别,是物质的两种表现形式。在温度提升到某个程度之后,物质就以能量的形式存在,当温度下降到某个程度之后,物质就会以质量的形式存在,所以它们是可以相互转化的。
时空奇点集聚了巨大的能量,当它发生大爆炸的时候,能量级别是非常高的,在这个温度之下质量只能以能量的形式存在。可是随着宇宙的暴涨,空间呈现几何指数扩大,宇宙温度也在不断下降。
温度下降了之后,质量就无法保持纯能量的形式,只能转化为基本粒子。当然氢和氦也不是由纯能量直接转化 而来,而是由最初的正物质粒子在宇宙诞生后100微秒,夸克聚集形成质子和中子,质子也就是氢原子核。大爆炸几分钟后,质子和中子结合在一起形成了氦原子核,有了氦元素。
根据质子和中子的比例关系,可以推测出宇宙最初产生的氢和氦的质量比为3:1,这就是宇宙最初的氢和氦的来历,它们并不是无中生有。看到这里,可能有人会说了,能量能够转化为物质,这是多么神奇的一种能力。如果温度能够达到,那是不是人类就可以创造物质?
质能方程式的确告诉我们,能量和物质是可以相互转化的,可是要达成这个转化条件是非常困难的,而需要的这个温度目前只在宇宙大爆炸的瞬间出现过。所以,你在现实当中是无法实现能量转化为物质的。
当然,科学的力量是无穷的,只要人类将科技发展到终极的时候,创造出一个达到能量转化物质的温度空间,或许也是可以做到的。如果未来我们真的做到了,那是否意味着人类也可以创造一个宇宙出来?若是这样,那我们将不得不思考这个宇宙的来历,它会不会也是宇宙之外的一个高级文明创造出来的?