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我们已经处于宇宙的第六个时代,这或是最后一个宇宙时代

2019-07-26

哈勃红移、宇宙3K背景辐射、宇宙元素丰度和星系演化等一系列独立且有力的证据表明,宇宙有一个起源时间,大约在138亿年前。最初的宇宙是一个炽热致密的奇点,宇宙从奇点大爆炸中诞生,随后不断膨胀、冷却和演化。

理论上,宇宙的演化进程可以划分为六个阶段或者说时代:暴胀时代、原始汤时代、等离子态时代、黑暗时代、恒星时代、暗能量时代。在数十亿年前,宇宙进入了第六个时代——暗能量主宰的时代,这也可能是宇宙的最后一个时代。

一、暴胀时代

在宇宙诞生的最初时期,宇宙中不存在任何物质和辐射。那时的宇宙空间中充满了一种固有能量,导致宇宙以指数方式急剧膨胀,在10^-33秒期间,空间大小膨胀了10^26倍,这个时代被称为暴胀时代。

由于空间暴胀,使得宇宙变得十分平坦,空间曲率接近于零,并且使整个宇宙的温度变得均匀。暴胀期间发生的量子涨落造成了宇宙温度的细微差异,这为未来的宇宙形成庞大的宇宙网络创造了条件。

宇宙经历了短暂的暴胀之后,空间本身固有的能量都逐渐转变成各种正反粒子和辐射,宇宙开始进入第二个时代。

二、原始汤时代

物质和辐射不断从纯能量中形成,膨胀的宇宙逐渐冷却。当粒子之间发生碰撞时,它们会形成各种正反粒子对。

随着宇宙的膨胀冷却,宇宙中越来越难形成更大质量的正反粒子对,但正反粒子对的湮灭和其他粒子碰撞仍在继续。在宇宙诞生大约1至3秒之后,由于宇宙中出现了一种违反重子数守恒的现象,反物质几乎被湮灭殆尽,剩下的大部分都是正物质。

在宇宙诞生大约3至4分钟之后,宇宙开始了太初核合成过程,形成了稳定的氘和氦原子核。其余大部分质子没有发生核反应,它们也就成了氢原子核(氕原子核)。此后,宇宙中就剩下了原子核、电子、光子和中微子,宇宙呈现为等离子态。

三、等离子态时代

由于光子的数量仅为的数量原子核和电子数量的十亿分之一,每当一个原子核与一个电子结合在一起时,它们产生的高能量光子就会原子核和电子分开,所以中性原子无法形成。直到宇宙大爆炸之后38万年,宇宙的温度从数十亿度急剧冷却到数千度之时,光子才会脱离耦合,中性原子才能最终形成。

在等离子态时代的开始阶段,宇宙的能量主要由光子和中微子辐射主宰。到了末期,普通物质和暗物质主导了宇宙。

四、黑暗时代

虽然宇宙中形成了中性原子,但那时的宇宙还是黑暗的,并没有像现在这样有大量的恒星来照亮宇宙。宇宙中存在大量由氢和氦组成的宇宙尘埃,它们能够有效阻挡可见光。

在宇宙大爆炸之后1亿年,由于引力的作用,宇宙中的气体云结合形成了恒星。恒星发出的光会使宇宙中的氢和氦等中性原子再次发生电离,演变成等离子态,宇宙开始变亮起来,这就是再电离时期。大约在宇宙形成之后5.5亿年,经过充分再电离的宇宙结束了黑暗时代,宇宙中第一批星系团刚刚开始形成。

五、恒星时代

宇宙中的普通物质和暗物质占据主导作用,它们产生的引力诱导了大量的恒星、星系、星系团以及宇宙网络结构的形成。恒星形成速率不断加快,在宇宙形成之后30亿年达到峰值。此后,由于大量恒星形成已经消耗了大量的自由气体,恒星形成速率逐渐缓慢降低,直至低于恒星死亡速率。

随着宇宙空间的持续膨胀,物质密度不断下降,暗能量开始取代物质占据主导地位。在宇宙形成之后大约78亿年,空间的膨胀速度停止减速,并转而开始加速。加速的宇宙在我们身上。到了宇宙形成之后92亿年,暗能量完全主宰了宇宙,这宣告宇宙进入了最后的时代。

六、暗能量时代

在暗能量排斥效应的作用下,宇宙中的大部分星系都被互相拉开。星系群和星系团能够维持住结构,它们最终会在引力的作用下合并成一个星系。到了那时,遥远的星系都在超光速退行,观测者无论身在何处,所能看到的遥远宇宙都是黑暗一片。

再经过漫长的时间之后,由于不断辐射出引力波,行星的轨道会逐渐衰减,它们最终会落入母星之中。即使便是黑洞,最终也会因为霍金辐射而消失在宇宙中。

根据现有理论推测,由于空间不断加速膨胀,最终的宇宙将会变得十分空旷,宇宙的有用能全部耗尽,熵增加到最大,整个宇宙陷于死寂之中。

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