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十大值得我们感激的科学现象,或许这就是人类存在的理由

2017-12-15


宇宙从无生命状态到产生单细胞生物再一路进化出人类花费了上百亿年,这条路看起来危险又漫长,无数个偶然事件的发生才让我们逐步进化出来。但是你可曾想过,在这无数偶然事件背后隐藏着必然性的力量,这就是我们今天要介绍的十个重要的物理现象,正是它们让我们的存在成为可能。



宇宙大爆炸



可观测宇宙历史的时间线,当远离大爆炸时,可观测部分的扩大尺寸越来越大。  来源:NASA/WMAP 


就我们的宇宙而言,在大爆炸之前存在一个没有昨天的起点,那时还不存在今天这样持续扩张的、持续冷却的、被物质和辐射充满的宇宙。正是起点在大爆炸以后形成了现在充满粒子、反粒子、辐射、以及一切我们赖以生存的物质的宇宙。没有大爆炸,我们的存在将无从谈起。



非对称性



在一个完全对称的宇宙里,物质和反物质互相湮灭,但现实的物质世界却表明在宇宙中有一个基本的不对称性。  图片来源:E. Siegel / Beyond The Galaxy


宇宙中有各种各样的对称,但如果所有的事物都是完美对称的,那就意味着有等量的物质和反物质。随着宇宙的冷却和膨胀,它们会几乎完全湮灭,只剩下极少的远远分离开的粒子和反粒子。那样的话,宇宙的密度将比现在宇宙的百万分之一还要低。幸运的是,我们的宇宙充满了物质而不是反物质,这才让我们的宇宙没有“湮灭”。虽然有人提出了一些猜测,但宇宙中的不对称性是怎么形成的至今还是个谜。不过,宇宙里的不对称性是实实在在的,正是它让我们真实地存在着。



原子



麦哲伦星云中发现的一些分子和原子。图片来源:NASA/JPL-Caltech/T. Pyle (SSC/Caltech)


重核会在许多稳定的结构中起重要的作用。另外,我们还需要轻的、稳定存在的、具有相反电荷的粒子(电子)来共同组成我们的世界的基本单元。当宇宙中的轻、重粒子冷却下来并被相互束缚在一起时,它们就组成了原子,接下来原子聚合在一起才能形成我们的宇宙现在具有的结构。



引力





在大尺度下,引力创造出星系、星系团和巨大的宇宙网络。在小尺度下,引力创造出气状云、恒星以及行星。是引力这种宇宙中最长程最普遍的力使我们的家园得以形成。没有引力我们熟悉的世界就不会存在。



核聚变



一个巨大恒星的整个生命周期示意图,当其核心用完核燃料后,最终形成II型超新星。融合的最后阶段是硅燃烧,并在超新星爆发之前,在核心内产生铁和类似铁的元素。 图片来源:Nicole Rager Fuller / NSF。


恒星内部的核聚变不光形成了宇宙中的光,它也创造出了周期表中的各种元素。在大部分大质量恒星中,氢元素聚变形成成氦元素,氦元素聚变形成碳元素,接下来又形成了氧元素、氖元素、镁元素、硫元素、硅元素以至于铁元素。宇宙中大部分的重元素,尤其是氧和碳都是通过这种方式形成的。



超新星和中子星爆发



两个中子星合并的艺术化示意图。涟漪时空网格代表碰撞中发出的引力波,而窄波束则是伽玛射线的射流(被天文学家检测为伽玛射线爆发),在引力波几秒钟后射出。合并中子星形成了宇宙中的大多数超重元素。图片来源:NSF / LIGO /索诺玛州立大学/ A. Simonnet。


宇宙中的大质量恒星在最终垂死挣扎的过程给我们带来了大量元素周期表中的元素。大部分大质量恒星在形成之后几百年就会发生爆炸,紧接着失控的核聚变会破坏整个恒星并把包含大量重元素的外层部分抛入星际空间。同时,剩下的部分会变成中子星,之后中子星爆发会合成出在周期表中最重的元素。只要星系的质量足以束缚住这些物质(当然也是因为引力),这些重元素会重新参与新的星体的形成。



宇宙的循环



欧洲航天局赫歇尔天文台观测新的恒星形成区域的红外视图。 图片来源:ESA / SPIRE / PACS / P.André(CEA Saclay)。

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来自:万语千言525  > 天文奥秘
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