《140亿年宇宙演化全史》

第一集讲了物质的起源， 《140亿年宇宙演化全史》读书笔记：物质起源、宇宙的其他成分和恒星的演化与结局。

第二集讲了恒星的演化逻辑，《140亿年宇宙演化全史》+《六级物理》读书笔记：氦闪、红巨星、简并压、钱德拉塞...

本集继续。 我们的世界位于一个巨型旋涡星云的远郊，距离星系中心约有3万光年。往外再走2万光年就是模糊弥散的星系边缘。太阳诞生于一片气体云团中，它围绕银河系中心沿着一条近乎圆形的轨道旋转，公转周期大约是2.4亿年，太阳为此已经转了20圈。它以后还能再转20圈。这一切是怎么形成的？宇宙学要做的是，描述一种能将宇宙中弥散物质凝聚成高度结构化的组织机制。对此，人类现有的工具是量子力学和广义相对论。 首先回顾早期宇宙，不难发现，如果初始阶段宇宙所有尺度都是严格遵守均匀且各向同性规则的话，就不可能有物质聚集以至于不可能有今天的一切。唯一逻辑就是宇宙并不是均匀分布且各向同性的。为什么？答案在量子力学。 一、宇宙起源 1、相变与暴胀时期： 10的负37次方秒到10的负33次方秒是宇宙的暴胀时期。这段时期宇宙膨胀的速度比光速还快，短短10的负33次方秒宇宙从质子的10的20次方分之一膨胀到了10cm。宇宙发生膨胀的原因是因为相变。水冻成冰块，开水变成蒸汽，在糖水里放一根线，糖霜会沿着这跟线凝结，这些现象都是相变。根据宇宙膨胀模型，宇宙能量场在大爆炸之后经历了几次相似的相变，它不仅促成了宇宙的早期膨胀，还赋予宇宙密度交错分布的特殊形式，为宇宙凝固成膨胀的空间构造提供了特殊模式。宇宙所有的结构都起源于暴账时期亚原子核~夸克尺度的量子涨落。对此，我们能够从宇宙背景辐射中找到印证。 2、量子涨落 奇点时刻充满了伽马射线，就像是一股离奇密度的超高能量伽马射线汤。其中伽马射线蕴含的能量（频率）是可见光光子的20万—2万亿倍。这些超高能光子所到之处会激发质能转换反应，一对对正反物质电子会凭空出现，然后彼此碰撞湮灭。这意味着每一刻都有不同数量的粒子消失或者重现，在任意给定时刻总有某个空间区域内的粒子数量略高于其他区域，这才造成“每10亿次光子湮灭制造的10亿个光子在瞬间所激发出来的质能转化反应会产生大量夸克，这些夸克会在瞬间形成的正反物质夸克组~既正反物质强子在湮灭中只会幸存1枚强子。同理，所产生的每10亿颗正反物质电子湮灭会幸存1颗电子。而那些湮灭所产生的光又会让逻辑回到原点。”就这样，物质的分布出现随随机的涨落，随着宇宙的膨胀在空间中形成了十分微弱的不均匀的物质密度差异，于是在宇宙膨胀的作用下，密度相对较高的区域逐渐开始形成结构。需要指出，真空中也存在量子涨落。 3、宇宙背景辐射地图 宇宙暴胀时期所发生的大规模量子涨落制造了物质和能量分布的不均匀，而宇宙退耦时期将宇宙的不均匀特征加以演化。宇宙的能量密集区将形成庞大的质量密集区~星系团和超星系团，在宇宙的能量稀疏区，它们最终会发展成巨大的真空结构被称为空洞。而随着宇宙膨胀，能量越来越弱的光子继续在宇宙中游荡，形成宇宙背景辐射，即CBR。 因此，我们测量宇宙背景辐射的精度越高，就越能在天空中找到那些能量密度略高于平均值的地区，这些地区就是后来发展出星系团和超星系团的区域。找到这些能量起落的区域是我们这个理论的关键，将这些信息绘制成宇宙背景辐射地图，就是宇宙起源和其结构模型的依据。这个壮举在1993年由WMAP卫星以极高的精度描绘完成。今天，人类已经绘制了包含1000个星系的庞大宇宙结构，其中每个星系各自拥有1000万亿颗恒星。算上暗物质，这些星系团的质量相当于10的16次方个太阳的质量。 二、退耦时期：38万年-2亿年 在宇宙历史形成的早期（0-2分钟），光子与物质相互作用，高能光子射线所到之处不断形成原子，而这些射线并以极高的能量将任何形成原子的机会撞的粉碎。但宇宙的持续膨胀稀释了这些光子的能量。到了退耦时期（2分钟-38万年），空间中光子的能量密度渐渐不足以制造物质，也不足以干扰氢、氦原子的形成。大爆炸后38万年，宇宙中渐渐稀疏微弱的光子能量终于彻底的不再与当年它们所制造的物质发生互动。 在这个时期，宇宙中非常黑暗，因为能吸收光的常见原子和分子还未形成，空间中大都是氢原子和氦原子（以及非常少量的其他一点物质，比如锂）。于是，巨量的物质在广阔的尺度上因引力吸引而不断聚集，这种聚集会合成恒星。

三、原始宇宙 1、光谱 各级原子能级轨道上所具有的能量各自含有特定的值，一个电子进行轨道跃迁会产生能量变化。从高能向低能级跃迁所减少的这部分能量不能凭空消失，这部分能量会变成光子从原子里射出，光子携带的能量恰好就是电子从高能级运动到低能级所损失的能量，是特定的值。同理，从低能级向高能级跃迁也需要吸收特定的能量，即特定的值。这些具有特定数值的能量表现为振动频率，即特定的值。这些特定的能量振动频率就是光谱。也就是说，特定的能级轨道具备特定的光谱。在现实中，一种物质往往具有多层核外电子层，其所拥有的能级光谱往往是多种特定能量（频率）的组合，从而形成一个光组（波包）。即该物质的光谱。也就是说，特定物质的原子携带特定的光谱。它辐射特定的热频率，也吸收特定频率的光子，最终表达出特定的颜色。 氢原子和氦原子的光谱都在紫外波段，肉眼不可见。 2、第一批恒星 对于现代宇宙来说，恒星发出的全频段光线会被空间中的比较重的原子和分子大量吸收，当各条能级饱和后在光子所携带的动能作用下会对这些粒子产生光压，从而将这些物质吹开。这样的驱逐会将新生恒星的最大质量限值在太阳的100倍质量以内。在某个力学平衡线上，100倍太阳质量的恒星所释放的光压会大于其所发出的引力，使得现代宇宙内的恒星发育尺寸最多就到此为止。但早期宇宙不是这样。 首先，由于最初的宇宙里只有氢原子和氦原子以及痕量的锂。而这些原子的光谱都在紫外波段，肉眼不可见。第一，这意味着早期宇宙很暗。其次，早期恒星所辐射出来的光动能只有极少部分与氢原子和氦原子产生共振，它们所受到的光压影响比较而言非常微小。这意味着，第一批恒星的孕育过程的尺寸限值要比现代宇宙宽松的多。这导致宇宙第一批恒星的尺寸可以达到几千倍太阳质量。 3、星系之核 质量大的恒星其生命节律也快，它们的寿命只有几百万年，还不到太阳的千分之一。而且，这种规模的恒星会制造出海量的更重的元素，包括碳、氧、氮、硅和铁。可以想象，按照恒星的演化规律，它们的结局会是什么。 在这样的环境和恒星的演化规律作用下，所有物质都受到了引力控制从而聚集成团，因此而产生的引力塌缩也是家常便饭，这会形成可达几十亿倍太阳质量的超大质量黑洞。这些黑洞的尺寸可以参照海王星公转轨道。巨大的黑洞会制造巨大的引力旋涡，周边被其引力控制而进入旋转轨道将被吸入其中的气体甚至来不及被吸入其中~形成巨大的星际尺寸的吸积盘。巨量的气体彼此摩擦形成超热物质向外辐射海量能量，并喷射海量的等离子物质，所造成的亮度达到太阳的几十亿倍。起初由于超大亮度其被称为类星体，现在发现它即星系之核。 类星体是星系之核。在引力作用下，一团巨大的气体云会形成几十万颗恒星。松散的恒星密度被称为星协，密集的恒星密度被称为星团。星团内部所有恒星围绕星团中心（星系之核）公转。它们之间的引力会发生共同作用，在力学平衡后所有的恒星都位于不会被星核黑洞摧毁的安全轨道之上。从而形成旋涡星系。 在恒星的演化逻辑下，旋涡星系的系统内部不断地孕育一代又一代的恒星。按照恒星的演化逻辑下，每一代恒星的重元素含量都将高于上一代。这些重元素会在大质量恒星衰亡时被抛射形成游荡的残骸，或者重新聚集再次点燃聚变反应，或者被周边其他恒星的引力系统捕获，在新的轨道上互相碰撞凝聚成大小不一的固态行星。续写新的篇章。