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宇宙的物质能量循环理论

前言:理论认为,组成宇宙的基本要素是物质、能量、时间和空间。任何物质都是由两种相同或者不同的其他物质组成的;物质带正、负电荷是相对的;物质没有最小单位等新的观点。物质就是能量,能量也就是物质,物质的运动变化是通过能量来实现的,当较小的微粒物质聚合组成较大的微粒物质时,能量储藏到较大的微粒子物质内部,相反当较大的微粒子物质分解形成较小的微粒子物质时,能量从较大的微粒子物质内部释放出来。在物质和能量的运动变化中,始终保持物质的质量守恒和能量守恒。

关键词:宇宙演化,物质;能量;认识;天文,天体物理学;循环;平行宇宙,虫洞,量子,暗物质,暗能量,量子理论,粒子物理学,引力场,引力波

物质能量循环理论认为,物质是构成宇宙的物质基础,能量是宇宙运动变化的表现;宇宙的运动和变化是物质在能量的作用下运动和变化来实现的,能量是物质运动和变化的动力,没有能量的存在,就没有物质的运动和变化;物质的运动和变化是在宇宙的空间实现的,物质的运动和变化也就产生了时间。

具有当今已知的一些著名天文物体的宇宙地图。长度比例向右呈指数增长。天体显示为放大尺寸,以便能够欣赏其形状。

一、宇宙的成分:宇宙的基本物质构成

宇宙几乎完全由暗能量、暗物质和普通物质组成。其它为电磁辐射(估计占宇宙总质量的0.005%到接近0.01%)和反物质。我们现在知晓,宇宙中的一切我们所见的普通物质都是由原子所构成的。从微观世界的基本粒子,如我们熟悉的电子(轻子),夸克以及我们不熟悉的玻色子等等。到宏观世界我们肉眼所能看见的整个宇宙物质结构,如星系星云等等。

在宇宙的历史进程中,各种物质和能量的比例都在发生着变化。在过去的20亿年中,宇宙内所产生的电磁辐射的总量减少了1/2。今天,普通物质包括原子、恒星、星系以及生命只占到宇宙总含量的4.9%。目前这类物质的总密度很低,大约每立方厘米4.5×10的-31次方克,相当于每四立方米体积中只有一个质子的密度。目前我们所能了解的暗能量和暗物质是未知的。暗物质是一种尚未被确认的神秘物质,占到宇宙物质含量的26.8%。而暗能量是真空空间的能量,就是它导致了宇宙膨胀的加速,大约占到宇宙总含量的68.3%。

宇宙中的暗能量
目前我们知晓宇宙正在加速膨胀,但是对宇宙膨胀为什么加速的解释目前仍然是难以捉摸的。不过我们目前多少知道一点,它可能是由于“暗能量”造成的,一种未知的能量形式,被假设为能穿透空间。在质量-能量等效的基础上,暗能量的密度(~7×10的-30次方g/cm3)远小于星系内普通物质或暗物质的密度。然而,在当前的暗能量时代,它支配着宇宙的质能,因为它在空间上是均匀的。
宇宙中的暗物质
暗物质是一种假设的物质,在整个电磁波谱中是不可见的,但是它占据了宇宙中大部分的普通物质。暗物质的存在和性质是从其对可见物质、辐射和宇宙大尺度结构的引力效应中推断出来的。除了中微子(一种热暗物质),其它暗物质还没有被直接探测到,这使得它成为了现代天体物理学中最大的谜团之一。暗物质既不发射也不吸收任何显著水平的光或任何其他电磁辐射。暗物质估计占宇宙总质量-能量的26.8%,占宇宙总物质的84.5%。
宇宙中的普通物质
宇宙中剩余的4.9%的质量-能量是普通物质,也就是原子、离子、电子以及它们形成的物质。这里面包括了恒星,我们从星系中看到的所有光几乎都是由恒星自身发出的,以及还包括星际和星系间的星际气体、行星和日常生活中所有可以碰撞、触摸或挤压的物体。事实上,宇宙中绝大多数的普通物质是看不见的,因为宇宙中的星系和星系团内的可见恒星和气体的普通物质的质量-能量密度只占据了不到10%。
普通物质通常存在于固态、液体、气体和等离子体四个状态(或相)中。然而,随着实验技术的进步,新的物质状态被呈现出来,如玻色-爱因斯坦凝聚态和费米子凝聚态。
普通物质由两种基本粒子组成:它们是夸克和轻子。例如,质子由两个上夸克和一个下夸克组成;中子由两个下夸克和一个上夸克组成;电子是一种轻子。原子由原子核组成,原子核由质子和中子组成,而电子则围绕原子核运转。因为原子的大部分质量都集中在由重子组成的原子核中,所以天文学家经常用重子物质这个术语来描述普通物质,这个“重子物质”的另外一小部分是由电子云构成。
大爆炸后不久,早期宇宙的夸克-胶子等离子体(quark–gluon plasma)已经冷却到两万亿度以下,这时原始的质子和中子开始形成。几分钟后,在一个被称为太初核合成(Big Bang nucleosynthesis)的过程中,原始质子和中子开始形成原子核。这种核合成形成了较轻的元素,那些原子序数较小的形成到锂和铍等轻元素,然而较重元素的丰度随着原子序数的增加而急剧下降。此时可能已经形成了一些硼元素,但下一个较重的元素,碳,没有形成显著的量数。由于宇宙的膨胀导致温度和密度的快速下降,因此大爆炸核合成在大约20分钟后停止。一些重元素(金属量)的后续形成是由恒星核合成和超新星核合成引起的。

二、宇宙的演化:从奇点大爆炸到太阳系形成

宇宙历史大事件总纲

自然演化历程

1.宇宙起源:宇宙起源于一场大爆炸是目前主流的假说。138亿年前,爆炸之初,物质只能以中子、质子、电子、光子和中微子等基本粒子形态存在。宇宙爆炸之后的不断膨胀,导致温度和密度很快下降。随着温度降低、冷却,逐步形成原子、原子核、分子,并复合成为通常的气体。气体逐渐凝聚成星云,星云进一步形成各种各样的恒星和星系,最终形成我们如今所看到的宇宙。

2.恒星的形成
经过1亿年的发展,第一批恒星开始形成。恒星的演化通常达到数十亿之久,开始于巨分子云。
一个巨分子云包含数十万到数千万个太阳质量,直径为50到300光年。巨分子云环绕星系旋转时,星云压缩和扰动以及一些周边事件都有可能形成大量恒星。巨分子云坍塌的碎片可能成为行星、小行星和彗星等行星际天体。如果巨分子云碎片形成的恒星足够接近,那么可能形成双星和多星系统。有些恒星初期太小(小于太阳的0.08倍)不足以开始核聚变,则会成为褐矮星,慢慢变凉。
恒星不停的燃烧氢气,成年的恒星会落在赫罗图的主星序的特定点上,燃烧完氢气,核反应会停止,留下一个核壳,失去抵抗重力的能力后,恒星的外壳开始引力坍塌。而一旦核心达到一亿开氏度,核心就开始进行氦聚变,成为红巨星,重新通过核聚变抵抗引力。到了晚年,所有能量耗尽,恒星晚年到死亡以三种可能的冷态之一为终结:白矮星,中子星,黑洞。
3.恒星与化学元素
恒星死亡后为下一代恒星提供养料,一代又一代恒星灭亡和新生,物质在这中间发生了变异。如下这张图非常清晰的说明了各种元素的来源,大爆炸核合成,低质量恒星死亡挣扎,大质量恒星超新星爆炸(主要原因),宇宙射线,中子星合并,白矮星爆发等。

图中只罗列到第94钚,截止到2012年,总共有118种元素被发现,其中在地球自然界有94种。
整个宇宙——氢元素占75%,氦元素占25%,其他重元素,如碳硅氧钠金银铜铁……仅仅只占0.0000001%!
整个太阳系——氢元素占70.80710%,氦元素占27.31131%,氧元素占0.97107%,碳元素占0.30346%,氖占0.15173%,铁占0.12745%,氮占0.10975%,硅占0.07081%,镁占0.06676%,其他元素只占0.08052%。
我们人体——氧元素占65%,碳占18.5%,氢占9.5%,氮占3.3%,钙占1.4%,磷占1.1%,钾占0.25%,硫占0.25%,氯占0.15%,钠占0.15%,其他占0.7%。
经过多次爆炸,出现了越来越多的化学元素,这些元素经过重组,形成了早期的生命,演化出动植物,演化出人类。

4.太阳系的诞生

银河系是一个棒旋星系,直径约10万光年,包括一千亿到四千亿恒星。太阳是银河系较典型的恒星,位于分支悬臂猎户臂上,根据星云假说模型:太阳系的形成和演化始于46亿年前一片巨大分子云中一小块的引力坍缩。大多坍缩的质量集中在中心,形成了太阳,其余部分摊平并形成了一个原行星盘,继而形成了行星、卫星、陨星和其他小型的太阳系天体系统。

太阳系沿着一个距离银河系银心大约3万光年的圆形轨道独自运行。它的速度大约是每秒钟220公里。太阳系绕银心完成一周公转,即一银河年大约在2.2~2.5亿年的范围。自从太阳系的形成以来,它已经至少这样转了20周。

太阳系家族【太阳系是以太阳为中心,和所有受到太阳的引力约束天体的集合体。包括八大行星(由离太阳从近到远的顺序:水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星)、以及至少173颗已知的卫星、5颗已经辨认出来的矮行星(冥王星、鸟神星、妊神星、谷神星以及阋神星),包括四个柯伊伯带天体,和数以亿计的太阳系小天体和彗星。
5.地球和月亮的形成
地球起源:目前关于地球和太阳系起源的基本理论是拉普拉斯-康德星云假说+微型天体聚合(accretion)假说+岩浆洋假说。
根据放射性定年法的测量结果,太阳系大约在45.6±0.08亿年前形成,而原生地球大约形成于45.4±0.04亿年前。从理论上讲,太阳的形成始于46亿年前一片巨大氢分子云的引力坍缩,坍缩的质量大多集中在中心,形成了太阳;其余部分一边旋转一边摊平,形成了一个原行星盘,继而形成了行星、卫星、流星体和其他太阳系小天体。星云假说主张,地球这样的微行星起源于吸积坍缩后剩下的由气体、冰粒、尘埃形成的直径为一至十千米的块状物。根据该理论,组成原生地球的物质的直径大约为10–20密尔,这些物质经过1000至2000万年的生长,最终形成原生地球。初生的地球表面是由岩浆组成的“海洋”,而并非现在认知的水。


月球起源---关于月球的形成最主流的看法叫大碰撞。
地球和月亮,他们都是46亿年前左右诞生,超新星爆炸之后,一切开始重新洗牌,先是诞生了太阳,然后一个叫忒伊亚星球撞击了地球。
大部分尘埃被撞击产生的反作用力推出大气层,少部分仍留在地球。离开地球的尘埃一部分成为环绕地球的环。这个环内的尘埃碎块又互相吸引,逐渐积吸结合起来,形成一个熔融的月球雏形。

整个演化过程让我们知晓,宇宙大爆炸诞生了一切,宇宙演化、恒星演化制造了宇宙的基本元素、一切物质的最初源头。

三、宇宙的基本要素及其关系

1 物质

宇宙由物质构成的,物质就是宇宙中有形状和质量物体的总和,它包括分子、原子、原子核和核外电子、夸克等。物质能量循环理论认为,物质没有最小单位,任何物质只有在极限条件下才有最小单位。极限条件就是指在特定的环境条件,能量在最大的作用下,不能将物质分解为更小物质的条件,比如,温度持续升高,会使分子物质发生分解成为微粒子物质,但是,当温度升高到不能升高的时候,这时,已就达到极限条件,这种情况下的物质就是宇宙中的最小物质。宇宙中的物质,是根据宇宙的环境条件决定的,环境条件是由能量决定的,当改变物质的环境条件后,物质随着能量的转化而发生物质的变化。

2.物质分类

物质是由粒子构成的,所有的粒子可以分为两类:

玻色子(boson),如:光子、中微子等,没有静止质量,作为传递引力、电磁力、强弱作用力的介质。

费米子(fermion),如:电子、质子、中子等,具有静止质量,相互之间通过玻色子产生相互作用,如引力、电磁力

光子的结构和性质:

光子属于玻色子(boson),没有静止质量,在真空中任意指定的点都有且只能是被一个光子占据。
1.光子是玻色子(boson),没有静止质量,是引力、电场、磁场,可能还是强弱作用力的介质;2.光子的内部结构由(e+,e-,p+,p- )4部分组成;3.光子作为电场的介质时,称为光极子。这时,光子能表现正、负电荷的极性;4.光子作为磁场的介质时,称为光磁子。这时,光子为自闭的自旋耦合子,在自旋平面垂直方向表现出S磁单极和N磁单极的磁矩;5.引力场只是真空中光子密度的梯度场;6.光子的能态只有两种状态:0和1;7.真空中光子通过外连耦合方式一次传递一份能量h(普朗克常数),能量中心在真空中沿直线移动的视速度为c;8.任何开环的电场或磁场的振荡都向真空释放光能:公式“E=hυ”中,“E”为一束光的能量;“h”为普朗克常数,表示光的粒子特征;“υ”为光的频率,表示了光的波的特征。由公式“E=hυ”统一光的波粒二象性
引力场
引力场也是一个矢量场,传递引力的介质就是真空或光子。引力场也可以称为光子密度(ρ)的梯度场,当真空中一个点两个方向光子密度梯度为0时,这两个方向的引力场为0。

黑洞(the black hole)

当黑洞吞没环绕其公转的星系物质后,就可以获得巨大的角动量,使其圆周切线速度逼近光速c,这时,黑洞的强大离心力足可以将光子分解为正中子(+n)和反中子(-n)

3 物质的特性:

3.1 物质的正负电荷、阴性和阳性是相对的

宇宙中的物质的变化运动是通过物质之间的正负电荷、阴性和阳性的性质来完成的,但是物质的中性、阴性、阳性、正负电荷不是绝对的,它只是在相应的环境条件下表现的特征,当物质的环境发生变化后,物质的中性、阴性、阳性、正负电荷也就发生了变化。

3.2 物质是运动的

当物质处于最小粒子状态时,物质的能量表现为温度的大小与物质运动的速度,当较小的粒子物质聚合在一起形成较大的粒子物质时,通过一种特殊的键将能量存储到较大的粒子物质里,我们把这种特殊的功能键叫微粒子键,根据形成物质的不同,我们又把它命名不同的功能键,比如夸克形成质子和中子叫质子键或者中子键。由于能量的存储,所以,不同的物质所表现的能量与运动不一样。

3.3 物质和能量是同时存在的

能量是物质固有的,当物质发生变化以后始终保持质量和能量的守恒。从静止的观点来看能量就是物质,从运动的观点来看物质就是能量。

3.4 物质具有信息传播的功能

物质的信息传播主要表现在物质在A地将声音、形状、气味、颜色等信息传播到B地。从分子物质到微粒子物质都有信息传播的功能,物质的不同,信息传播表现就不一样。

3.5 物质的多样性

分子物质是由不同的分子构成的,分子物质是由两个或者两个以上相同或者不同的原子组成的,原子、原子核、中子、质子、夸克等任何物质都是由两种或两种以上不同的物质构成的。夸克并不是物质的最小组成单位,当夸克再获得能量以后,仍然会分解出更小的微粒子物质单位。

4.能量

物质的变化、运动是通过能量来实现的,物质在微粒子状态下,能量就是物质的温度和物质的运动速度的总和,所有的其他能量都是在此基础上转化形成的。能量始终遵循能量守恒。物质有一个共同的规律,就是当较小的粒子物质形成较大的粒子物质以后,物质的能量以微粒子键的形式将能量储藏到较大的粒子物质内部,当较大的粒子物质形成较小的粒子物质时微粒子键破裂释放能量,比如核爆炸以后就会释放大量的能量。

5.宇宙的空间

宇宙中的一切物质是在宇宙的空间里运动的。宇宙的空间是一个没有边缘的无穷大空间,广义上的宇宙含义是指太空中整个无穷的空间以及所有的物质现象;狭义上的宇宙含义是指整个无穷的空间里有物质的总和占有的空间。由于物质之间有吸引力的存在,所以太空的的物质是以群体结构的形式在太空中运动的。我们通常说的“真空”是指一定的空间里没有分子物质存在的状态,但是在宇宙中,理论上的真空是不存在的,分子存在外,还有大量的夸克、轻子、中微子以及微粒子物质存在。绝对真空是指单位空间里没有分子物质和微粒子物质的存在。在绝对真空的状态下,物质与物质之间有相互挤压的作用下,产生吸引力,假如宇宙中只有银河系的存在,那么银河系以外空间就处于绝对真空状态,银河系也就是在这绝对真空变化运动的。

6.宇宙的时间

宇宙的时间是指物质发生位移的时段,或者说是物质发生变化产生的时段。年月日、时分秒是人为定义的,根据宇宙的运动规律。宇宙有没有起点或者最终时间?由于物质和能量之间的互相转化,所以宇宙中时间没有起点,也没有终点。

7.物质、能量、时间、空间的关系

从宏观来来看,宇宙是由分子物质组成的,分子是由原子组成的,原子是由原子核和核外电子组成的,原子核和核外电子是由中子组成的,中子是由夸克组成的,其实夸克并不是物质的最小单位,它仍然是由两种或者两种以上物质组成的。当大物质分解成小物质后,比如分子物质分解成原子物质,物质的能量就会释放出来,表现在温度升高或者运动速度加快;同样原理,当小物质合成大物质后,比如原子物质合成形成分子物质,物质的能量就集聚到分子物质里,主要表现在分子物资的温度降低或者分子物质的速度减慢。物质在变化过程中,始终保持能量、物质始终保持守恒。在小物质形成大物质的过程中,小物质之间不是等比例量的,很多小物质会剩余或者说没有在特定条件下形成大物质,所以这些小物质就会以本身的特性存在于宇宙中,当小物质的密度越大,温度就越高,密度越小温度就越低。

8.宇宙的运动

银河系的中心,是一个很大的逐渐膨胀的微粒子物质团,在膨胀的过程中,质量是没有变化的,由于体积增加,边缘处就会溢出小的微粒子物质团离开并围绕银河系的中心,这些溢出来的微粒子物质团的体积再增大,温度就逐渐下降,较大的又分裂出多个小的微粒子物质团,形成最原始的星系。随着微粒子物质团的体积膨胀,温度就逐渐下降,微粒子逐渐形成夸克、中子、原子核、电子、原子,最后形成分子物质,便形成现在的星球。部分银河系的中心溢出的微粒子物质团,由于体积变化不大,仍然以微粒子物质团的形式存在银河系便形成黑洞,形成星球的独立形成了恒星。当银河系的中心的微粒子物质团都形成星球以后,银河系不但不再膨胀,反而逐渐收缩,最后又形成微粒子物质状态的银河系。所以,宇宙既没有起源时间,也没有灭亡时间,是一个周而复始的循环运动。

四、宇宙物质循环过程:物质大循环理论

当一个星系的银臂开始出现之初,在超核场(即黑洞引力场)的诱导下,超核双极表面上由超流体态物质形成的不计其数的自由涡极速地产生着cn粒子;在强大的超核场的斥力作用下,这些cn粒子加速远离超核两极;与此同时,极高密度的cn粒子不断凝聚成各种光子、进而凝聚成电子、质子等有质量的粒子。这时,在超核的引力作用和旋转超核引力场的拖拽作用下,这些有质量的粒子开始偏离原来的运动方向,沿着三维的曲线路径向超核的赤道面运动,形成原始星云。

爱因斯坦说:“物理学家的最高使命就是要得出那些普遍的基本定律,由此借助纯粹的演绎建立起世界图景。通往这些定律是没有逻辑通路的,只有基于对经验的同情直觉才能得到这些定律。”(丁一. 《爱因斯坦:研究的原则——在普朗克60岁生日庆典上的致辞》.

参考:维基百科

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