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2012年7月23日

宇宙的起源


作者:Timothy

        「我們一直身處的宇宙究竟從何而來?」自從人們有了“宇宙”的概念以後,宇宙的起源就一直是每位科學家,甚至每個人都會感到好奇的問題。故此,過往科學界一直努力從殘留在現時宇宙中的種種跡象中,嘗試拼揍出宇宙誕生的過程及來源。而古往今來眾多關於宇宙論的推斷之中, 最被廣泛接受及為人耳熟能詳的相信就是到目前為止最符合宇宙學觀察結果的大霹靂理論 (Big Bang Theory)。

         大霹靂理論指出,宇宙是源自時空的爆炸,爆炸發生時(距今約137億年)的宇宙是處於奇點 (singularity) 的狀態中,奇點意味它擁有著無限小的體積,無限大的密度和時空曲率(重力的來源)及無限高的溫度,而奇點中並不存在著任何時間或空間,甚至連一切已知的物理定律都不適用於奇點。

        而伴隨著宇宙的大爆炸,時空開始產生並膨脹,宇宙溫度亦隨著當時宇宙體積的增加而大幅度降低。在時空膨脹發生後的一秒,宇宙的溫度約為100億度(相等於太陽中心溫度的1000倍),宇宙溫度減少的速率漸漸慢下來。下圖顯示了隨著時空膨脹發生後不同的時間後宇宙溫度的變化:
宇宙的溫度由時空膨脹時的無限高不斷下降,直到現時比絕對零度高2.725度(約-270 ℃)。

        因為宇宙形成瞬間的溫度極高,所以宇宙間的質子及中子 (Protons and neutrons) 都擁有十分高的平均動能,它們的移動速度使它們能夠掙脫彼此間的強作用力(Strong Interaction/Strong Force),但當宇宙的溫度降至約100億度時(時空膨脹後1秒),它們再也逃不過強引力的吸引,產生了各種元素的原子核(Nucleus)。之後,當溫度跌至幾千度時,電子和原子核間的電磁吸引力使它們結合而形成了原子(atoms)。而宇宙膨脹的速度受到當中物質的引力影響而緩慢下來,甚至部份物質密度較高的區域開始停止膨脹,並出現坍縮的現象,當中的物質受到彼此間質量的吸引而聚集在一起,直至區域中的物質因旋轉而達至平衡為止,我們相信星系就是從這種方式中誕生。而宇宙中各種星系內的恆星和行星在之後的時間中不斷重覆誕生和毀滅,直到現在成為我們現時身處的宇宙。


        大霹靂理論很生動地描繪了宇宙誕生的過程。不過,近期有科學家觀察到存在於我們身邊的宇宙背景幅射(時空膨脹發生後現時殘留在宇宙的溫度)其實是如上圖般呈現出同心圓的形狀,而各個圈內的溫度比外面為高。部份科學家認為同心圓是源自前宇宙的撞擊。或許,在時空膨脹前已經有前宇宙的存在。
但到目前為止,大霹靂理論依然是宇宙起源最好的解釋。

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