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1700873461 大爆炸理论表明,宇宙诞生于138.2亿年前(此数字或有几百万年的出入)。爆炸前的那一刻,宇宙中所有能观察到的事物都集中于一点,那个点甚至比原子还要小,但温度极高,高到无法想象。
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1700873463 但是对于那些能量来源何处,或者说大爆炸之前到底存在着什么,科学家一无所知。科学家说,我们所知的时间就开始于大爆炸那一刻。
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1700873465 大爆炸之后,宇宙立即开始膨胀、冷却。它至今依然在膨胀、冷却。对于科学家而言,宇宙似乎会继续膨胀、冷却下去,直到所有能量消散,所剩无几,只留下亚原子粒子云分散在无边的空间之中。科学家甚至预测这些粒子最终也会蒸发掉。
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1700873467 将上述内容作为一个不可思议的起源故事,如何?的确不可思议,但它与人类迄今为止所做的观察都能吻合起来。在讲述宇宙最初一些年里的故事前,我们需要先了解几个基本概念的含义。
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1700873469 五个基本词
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1700873471 在天文学和物理学中,给基本词和概念下个定义,简直难于上青天。之所以会这样,大概是因为没有比这些更基础的词和概念能够用来下定义了。科学家必须既要使用旧词,也要发明新词,并同时对新发明的词进行定义。
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1700873473 举几个例子来说:能量、物质、质量、光和时空。如今这些词的含义是什么?
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1700873475 “能量”(energy)和“物质”(matter)可追溯到2500年前的希腊哲学家。今天,“物质”是指“占据空间、具有质量的物理实体”。“能量”是指“施加力量的能力”,指能够移动和塑造物体的力。
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1700873477 能量和物质看似是不同的东西,但两者是可以相互转换的。在极热的条件下,比如核弹内部或恒星内部,物质可以转化成能量。阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)为此提出了著名的公式:E=mc2,其中E代表能量,m代表物质,c代表光速(光是宇宙中速度最快的东西)。由于光速这一数字很大,所以这个公式意味着一丁点儿物质就能够转化为非常多的能量。或者反过来说:形成一丁点儿物质需要耗费大量能量。
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1700873479 艾萨克·牛顿(Issac Newton)在17世纪引入了“质量”这一术语。质量是衡量某物体内物质多少的量,现在是通过计算组成物质的原子内部的原子核中所含的质子和中子的数量得出。质量不是重量,重量是质量对引力的反应。比如说,在地球和月球上,你的质量是一样的,但重量则不相同,因为月球上的引力要比地球上的引力小很多。“质量”就是科学家用来描述世界的词汇之一。
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1700873481 用现代的眼光来看,光是一种能量。光非常神秘,光速是宇宙中最快的速度,真空中光速能达到每秒约300,000千米(即186,000英里/秒或6.7亿英里/小时)。光携带能量,却没有质量。光还可以被描述为带有粒子特性的波。这种粒子叫作光子,没有质量,也不带电。你也可以说,光子是没有质量的能量束。
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1700873483 在电磁辐射中,光是人眼可见的部分。(电磁力是一种基本力,是电场和磁场在空间运动时相互的作用。)电磁辐射以波的形式传播,波长从短到长依次为:伽马射线、X射线、紫外线、可见射线(光)、红外线、微波和无线电波。天文学家使用一系列的望远镜进行观测,每一种望远镜对应不同的波长。
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1700873485 “时空”一词来源于爱因斯坦的物理学。它意味着空间的三维与时间的一个维度不是相互独立的,而是形成一个连续体。物质和能量的存在能够弯曲空间,从而改变空间以及时间流。时间无法离开空间独立存在。
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1700873490 电磁辐射的波长
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1700873492 我们时刻都被电磁波包围着。只要有电荷加速,随时都能产生电磁波。根据波的频率,名称也不尽相同。这张图表显示了不同频率的波谱,从最慢(每秒几千周,即几千赫兹)到最快(每秒上百万兆周,即上百万兆赫兹)不等。
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1700873494 既然我们搞清楚了这些基本词语的含义,我们就可以继续讲故事了。
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1700873496 第一秒
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1700873498 我们无法将故事倒退至时间为零的那一刻(t=0)。那一时刻还在科学理解的范畴之外,也是最大的谜团——时间从何而来?宇宙的第一秒决定了我们的命运,它诞生时的第一秒所发生的事情决定了我们今天的样子,否则,人类不会存在。
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1700873500 据估计,就在t=0之后,宇宙温度极高,能量和物质尚未分离。初始瞬间不像我们所理解的爆炸那样,从中心投射出什么东西,而是空间本身以一种外张的方式膨胀开来。
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1700873502 科学家想象,在第一秒的10-27的时刻,宇宙以极快的速度膨胀。天文学家称这一时期为“暴胀期”。10-27秒之后,早期宇宙膨胀到今天银河系的大小。
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1700873504 仍然在“第一秒”内的时间,宇宙的膨胀速度开始下降,四种基本力出现了。它们分别是引力、电磁力(包括电力、磁力和各种形式的光),以及其他两种只在原子内部起作用的力(强力和弱力)。名为“玻色子”的粒子,携带其中的后三种力。
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1700873506 (至今尚没有发现携带引力的粒子。人们推测存在一种带引力的粒子,而且名字已经给它取好了,叫作“引力子”(graviton)。物理学家希望某一天能够发现这种粒子,但迄今为止,他们还无法对引力做出令人满意的解释。)
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1700873508 另外,某种未知的能量对婴儿期宇宙的向外扩张起到了作用。1999年,天文学家意识到,这种能量一定存在,因为他们发现,在几十亿年的时间里,宇宙的膨胀速度一直在加快。这种能量看似是某种“反引力”,它对抗引力,推着宇宙向外扩张。天文学家把这种假说中的能量称为“暗能量”,因为天文学家只能通过它产生的影响检测到它,但并不知道它到底是什么。他们认为暗能量占据了宇宙中质能总量的70%左右。
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