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宇宙的温度是多少 目前科学界无法回溯到源头

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发表于 2017-3-23 22:55:50 | 显示全部楼层 |阅读模式
  按照科学家今天的能力,对宇宙历史回溯是无法达到源头的。因为当宇宙温度达到普朗克温度——大概是1032度,这个时刻被认为是经典宇宙的开始,也就是研究者所讲的宇宙大爆炸的开端——宇宙是一锅能量汤,不要说原子、分子,连已知最基础的粒子夸克也不能存在。今天我们看到的宇宙中一切的结构,都是宇宙演化的产物。

  在大爆炸之后,宇宙空间迅速膨胀,物质密度迅速下降,温度也迅速下降。到宇宙诞生后零点几秒的时候,宇宙温度已经降到了10Mev以下(差不多几百亿度量级),质子和中子就开始形成了。所谓氢原子核,其实就是质子。从这个意义上讲,最轻的原子核已经诞生。

宇宙的温度是多少 目前科学界无法回溯到源头56 / 作者:伤我心太深 / 帖子ID:22625,72652


  最开始的时候,质子和中子是可以互相转化的,但是随着温度进一步降低,到1秒钟以后,质子和中子的数量比就冻结了,比例是7:1,质子多,中子少。中子这个东西很麻烦,你放着它不管,它大概10分多钟就衰变了,除非你把它结合到原子核里。那么什么时候它可以到原子核里呢?这必须要宇宙温度下降到10亿度以下,一个质子和一个中子可以形成氢的同位素——氘。这个时候宇宙的年龄是100多秒,比中子的半衰期短得多,所以中子都保全下来了。


  氘在核反应链条上是一个中间产物,大量的氘通过不同路径最终形成了氦。到宇宙年龄3分钟的时候,几乎所有的中子都到了氦里面。如果记得我们刚才说过宇宙质子和中子的比例是7:1,那么很容易可以推算出这个时候氢和氦的质量比例是3:1,也就是宇宙中75%是氢,25%是氦。


  核反应再往下进行就很麻烦了,因为自然界没有原子量是5和8的稳定原子。原子量是6的稳定原子有一个是锂的同位素,原子量为6的锂(6Li),但是形成6Li的反应截面很小。所以下一个能够形成的原子实际上是7Li。但等7Li可以开始形成的时候,宇宙已经非常冷,密度也比较低了,核聚变很难继续进行。所以大爆炸核合成过程最后只形成了非常少量的7Li。

  到宇宙年龄1小时的时候,核合成已经完全停止,宇宙中的元素丰度仍然是75%的氢,25%的氦,以及极为少量的锂。更重的元素都是在恒星演化中形成的。

  在宇宙诞生一小时以后,原子核形成了。但这个时候,电子的能量还很高,不能和原子核结合形成原子。随着宇宙进一步冷却,到诞生后37万年的时候,宇宙温度终于降到了原子形成的温度。所有的电子一下子被原子核俘获了,这个过程被称作电子复合。


  在电子被原子核俘获前,它们可以自由地散射光子,这使得宇宙中所有的光子都走不远,在前进很短的距离后就会被电子散射,偏离航向。直到电子被原子核俘获后,光子才能自由地在宇宙中直线穿行。观测者是通过光子观察宇宙的,这也就是说,在电子复合之前,宇宙是不透明的,在电子复合之后,宇宙才变得透明起来。

宇宙的温度是多少 目前科学界无法回溯到源头33 / 作者:伤我心太深 / 帖子ID:22625,72652

  这个时刻被称作最后散射时刻。今天地球上的观测者是通过光线来了解宇宙的;宇宙越远处发出的光线,到达地球的时间也越长。


  人类看到的远处天体实际上是它过去的样子。理论上我们能够看到的最远处,它发出的光走到地球刚好过去了整个宇宙时间,也就是137亿年。但在电子复合之前,宇宙是不透明的,所以最后散射时刻发出的光子,实际上成为了我们能够观测到的最远的光子。由于宇宙膨胀,这些光子在传播过程中波长会变得更长,当它们到达地球时,已经变成了微波波段的电磁波。今天我们可以观察到这些光子,它们就是大名鼎鼎的微波背景辐射。它们来自宇宙诞生后37万年,发出这些光子的地方今天距离我们470亿光年。这也就是可观测宇宙的大小。

  当宇宙进一步冷却,宇宙中的物质会因为相互之间的引力慢慢聚集成一个个的团块。在这些团块的中心,温度、密度会再一次增大,最后形成宇宙中的第一代恒星。这大概已经到了宇宙诞生后大概10亿年。


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