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最初的38万年
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等离子的状态存在了约30万年的时间。接下来的5万年左右,宇宙中会经历一个大变化。温度继续冷却,比我们今天的太阳表面温度还要低一点。整个宇宙的温度都是这样高。
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早期宇宙的时期
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上图表明了宇宙早期四个阶段的物理过程,这四个时间段分别为:0.00001秒之内,0.00001秒,1秒和30万年。波浪线代表光子。
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随着温度冷却,光子不断失去能量,亚原子粒子也不再振动得像之前那样疯狂。振动减弱,具有相反电荷的质子和电子就能结合在一起了。带正电荷的质子或者与中子结合的质子,吸引带负电荷的电子,形成了第一批原子。
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第一批原子是最简单的两种——氢和氦。氢原子由一个质子和一个电子组成,氦原子由两个质子和两个中子组成原子核,还有两个电子绕核运动。早期宇宙中的原子比例,以质量计,约75%为氢原子,25%为氦原子,还有相对稳定的锂的痕迹,锂由3个质子、3个中子和3个电子组成。(以数量计,氢原子大约占早期宇宙的90%。)
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原子的结构有点类似于太阳与其行星的关系——体积极小的电子绕着由质子和中子组成的巨大原子核转动。每一个原子都有相同数量的质子和电子,所以正负电荷相互抵消。质子的体积几乎是电子的2000多倍。中子没有电荷,质量比质子的质量稍微大些。中子与质子结合,形成原子核,质量达到整个原子的99.9%。中子通过强力相互吸引,也帮助质子结合起来,否则质子会相互排斥。所以,每个含有一个以上质子的原子,在其核内,都会有一些中子将其聚合在一起。
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还有一个令人吃惊的事实:像太阳系一样,原子内部绝大部分都是空的空间。比如在氢原子内部,如果其质子像篮球那么大,它周围的空间就堪比地球。而电子的大小,则只相当于樱桃核。电子绕着质子旋转,就相当于一颗樱桃核在地球大气层的边缘(距离地球表面约100千米)绕地球旋转一样。剩下的则是空空如也的空间。
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原子长什么样?
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原子的结构:一群电子绕原子核运动。原子核由质子和中子构成,质子和中子均由3个夸克构成。
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微小的电子,绕着原子核不断运动,成为“电子云”。电子的轨道称为“电子层”。最里面的层级仅能容纳两个电子。接下来的两层,每一层则能容纳8个电子。有时候,最外一层不足8个电子,这种原子就可能形成分子。(关于这一过程的细节请参见第4章。)我们无法精确描述电子的运动,因为电子的运动方式并不符合常规。它们的运动符合量子运动规律——电子会从一个相对稳定的轨道跃迁到另外一个轨道,但不大可能处于两个轨道之间。从这一点上讲,将原子与太阳和8大行星进行类比就不那么恰当。
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如果原子内部大部分都是空的,那么为何它们组成的物体是坚固的呢?这是因为力、键合力以及场,让万物各安其位,让物体显得坚固。
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光,正如上文提到的那样,是不带电荷的。质子、中子和电子结合形成原子之后,光子就不会与它们的电荷纠缠在一起了。光子形成了巨大的光束,在空间自由移动。
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上面已经提到,两位射电天文学家探测到了那道光束。阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊发现了科学家称作“宇宙背景辐射”(CBR)的东西,有时也称作“宇宙微波背景”(CMB)。这一背景就是那道光冷却下来的残留物,它们充斥宇宙,来自第一粒原子诞生、光(光子)能够自由移动的那一刻。
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我们怎么可能看到那么久之前存在的东西呢?原因就是,某事物距离我们越远,其辐射抵达我们所需的时间就越长。如今所见乃长久之前的样子。举个例子来说,如果我们看到距离地球3000光年的一颗恒星爆炸了,那么,爆炸是发生在3000年前,因为爆炸时发出的光需要用3000年的时间才到达地球。(光年是光传播一年的距离。一光年相当于9.5万亿千米,即6万亿英里。这个距离到底有多长呢?想象一下我们的太阳系,它比太阳系直径的500倍还要多,不过这没有把太阳系边缘的大型奥尔特云算在内。)
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大爆炸之后38万年,宇宙背景辐射开始在空间中穿越,过了差不多138亿年的时间,才到达我们这儿。宇宙的膨胀把这束光的光子拉伸成了微波,其波长太长,肉眼无法看到。只有仪器能够探测到,将其转化成图像,呈现在我们眼前。
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两个早期空间望远镜
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威尔金森微波各向异性探测器(WMAP):2001年6月,美国国家航空航天局(NASA)将WMAP送入太空,2010年10月,它结束了探测任务。WMAP非常成功,实际使用寿命是科学家预想的2倍。
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WMAP首次将宇宙背景辐射(CBR)中出现的微小波动绘制成图。它确定了普通物质、暗物质和暗能量的比例。(登录http://map.gsfe.nasa.gov获取更多图像和信息。)
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普朗克卫星:欧洲航空局(ESA)运行的是另一台空间天文台。它以德国物理学家马克斯·普朗克(Max Planck,1858—1947)的名字命名,普朗克创立了量子理论,于1918年荣获诺贝尔物理学奖。(详情参见下文“知识前沿的疑问”。)
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普朗克卫星于2009年5月升空,2013年10月结束任务。它的轨道是绕地球的椭圆形轨道。轨道最远点距离地球1,126,540千米(700,000英里)。在CBR的图像绘制方面,它的精确度比WMAP高,2013年3月,科学家首次公布了CBR的全天图像。科学家通过CBR的精确图像,将宇宙的年龄精确到138.242亿年(前后有几百万年的出入)。为了做到这一点,科学家研究了CBR,并计算出由宇宙膨胀造成的光波拉伸的程度。接下来,他们就能计算出宇宙膨胀了多长时间。
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为了避开地球大气层的干扰,科学家发射了卫星探测器,比如威尔金森微波各向异性探测器和普朗克卫星,用以拍摄宇宙背景辐射的图像。这些照片似乎记录到微波中有微小的温度波动。这些波动表明,早期宇宙中的物质并不是绝对均匀分布的。有些地方,温度稍微高些,通常在图像中呈现红色。在这些红色区域,引力开始将原子拢在一起,这就是恒星和星系的开始,我们会在下一章予以探讨。
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